   四．天文學家的大耳朵──電波天文學
						    83.5.16


    （片頭結尾時畫面全黑，霹靂一聲雷響，接草原上雷雨畫面，風狂雨驟
      ，配上田園交響樂雷雨部份。一會兒風止雨息，音樂轉緩，天空放晴
      ，葉上滴落露珠，天際出現一彎彩虹。）

    彩虹畫面，樹林景色。  │旁：雨後的彩虹清新可喜，它所展示的顏色
			  │──紅橙黃綠藍靛紫──恰好就是我們人類
			  │眼睛對電磁波所能感受的頻率。
			  │
    3D(1)：電磁光譜，由伽 │旁：但是整個電磁光譜的範圍廣大，由高頻
    瑪射線開始，依次至無線│的一端看起，它包括了伽瑪射線、χ-射線、
    電波，轉回正中央可見光│、紫外線、可見光、紅外線，以及無線電波
    部份。（Zoom out）	  │。可見光的波段非常窄，因此決大部分的電
			  │磁波是我們肉眼所不能見的。
			  │
    樂起，dissolve到夜空繁│旁：但是在繁星點點的夜空裡，每一個星體
    星點點的畫面，接星系。│、星系，除了發出我們看的到的可見光之外
    幻燈片（星星、星系），│，也發出各種各樣肉眼偵測不到的電磁波。
    接可見光望遠鏡畫面，衛│為了要了解這些星體和星系的本質，我們用
    星畫面，及VLA小天線。 │各種不同的方法，來觀測這些星體、星系在
			  │不同波段的電磁輻射。今天我們就從能量最
			  │低的無線電波開始談起。
			  │
    主持人由VLA 小天線旁走│主：我們生活的空間中充滿了無線電波，有
    出。（19卷20:17）	  │許多是來自大自然的，像是週遭星體或是遙
    上字幕介紹主持人。	  │遠星系所發出來的無線電波；有許多是人為
			  │的，像是來自無線電台或是衛星通訊的電波
			  │。
			  │
    赫茲的照片，與物理實驗│旁：1888年，德國物理學家赫茲首次在實驗
    室黑白照片。	  │室裏發射出無線電波，此後無線電波的應用
			  │就愈來愈廣泛，但是都侷限於地面通訊。直
    顏斯基照片。無線電報機│到1932年，美國貝爾電話實驗室的卡爾‧顏

				  1



    ，老舊通訊器材等照片。│斯基，在研究短波無線電話通訊干擾的時候
    半人馬座的星圖及LOGO。│，發現有一種特別的雜訊，和半人馬座在天
			  │空的位置有關。不論白天或黑夜，只要半人
			  │馬座行經當空，雜訊就特別的明顯。
			  │
    主持人Standup 。接可見│主：當時顏斯基猜想，他可能偵測到了從銀
    光銀河照片，Pan，Zoom │河別處傳來的無線電波。的確，他是對的，
    in銀河中心。	  │半人馬座的方向就是我們銀河中心的所在，
			  │那個地方不斷的發出強烈的無線電波，是我
			  │們銀河裏最特別的地方。
			  │
    主持人Standup。	  │主：可惜的是，這個重要的發現，並沒有引
			  │起科學界對外太空來的無線電波的重視。一
			  │直到二次大戰之後，電波天文學才真正的出
			  │現。
			  │
    二次大戰黑白照片或歐洲│旁：因為英國原來佈置在海岸邊防範德國飛
    地圖。老舊天線照片。  │彈的雷達天線，已經沒有了軍事用途，就讓
			  │科學家拿了去當大耳朵，研究電波通訊。
			  │
    單獨的天線緩緩抬頭向天│旁：有些天文學家，抱著好玩的心情，把電
    。樂起。單一天線的不同│波天線指向天空，沒想到，這一抬頭看天，
    畫面，配音樂。（中大衛│就開啟了現代電波天文學的新頁。
    星天線）		  │
			  │
    主持人Standup，在一個 │主：「電波天線」─也就是天文學家所稱的
    小耳朵天線前面。	  │「電波望遠鏡」─基本上就是放大了的小耳
			  │朵。一般的小耳朵，直徑大概在一公尺左右
			  │，而天文學家使用的典型的電波天線，直徑
			  │大都在三十公尺以上。現在就讓我們爬到一
			  │個大耳朵上面，仔細的看看它的構造。
			  │
    音樂，VLA 所拍修護棚內│主：小至行星、恆星，大至銀河、宇宙，都
    天線上畫面。碟面全景，│發出許多不同波長的無線電波。觀測這些無
    技師鑽出中央小洞，主持│線電波比觀測可見光來的方便的一點是，它
    人講話。		  │不受白日黑夜、陰晴風雨的影響。地球上觀
			  │測這些電波的無線電望遠鏡種類繁多，但主
			  │要都是用有一個拋物面的碟型天線。
			  │
    3D(2)，天線轉向。接2D │旁：在進行觀測的時候，天文學家把電波天

				  2


    (1)，外來電波抵達碟面 │線轉向要觀測的天體，從所觀測的天體發出
    反射，經偵測器收集，傳│來的無線電波，抵達地球，經過天線的金屬
    下進入控制室。接實景，│碟面反射，聚集到極為靈敏的接收器上，接
    學生或主持人操作電腦。│收器把微弱的電波放大百萬倍，再經由導波
			  │管，送到觀測控制室，就可以進行整理分析
			  │，作出所觀測天體的無線電波強弱分佈的影
			  │像，幫助我們進一步的了解這些天體的本質
			  │。
			  │
    自電腦畫面拉開，主持人│主：這些影像能帶給我們多少資訊，是由它
    坐電腦前講話。	  │的「解析率」來決定的。而「解析率」─也
			  │就是影像清晰的程度─和望遠鏡的口徑，以
			  │及所觀測的波長有關。口徑愈大，影像愈清
			  │晰，但觀測波長愈長，影像卻愈模糊。
			  │
    2D(2)，前面的電磁光譜 │旁：無線電波是電磁光譜裏波長最長的波段
    ，全景Pan至無線電波的 │，所以要得到比較清晰的天體影像，就只有
    部份。單一天線近拍，見│把望遠鏡的口徑加大。幸好電波望遠鏡多半
    鋁管結構。		  │只是鋁管拼起來的碟子，不像可見光望遠鏡
			  │，有玻璃鏡片的麻煩，所以電波天線可以做
			  │得很大。
			  │
    單一天線幻燈片，跳接  │旁：典型的天線直徑多半在三十公尺以上。
    Arecibo幻燈片。	  │而在波多黎各Arecibo 的天線，直徑更長達
			  │三百零五公尺。這麼大的天線沒有辦法用一
			  │個天線基座來支持，而是依著山谷的地形搭
			  │建，用整個山谷來承載它的重量。這幾乎也
			  │就是單一天線的極限了。
			  │
    主持人講話。（19卷10: │主：科學家想達到更高的解析率，但是已經
    55）		  │沒有辦法再蓋更大的天線了。怎麼辦呢？他
			  │們想出來一個很聰明的辦法，那就是利用干
			  │涉效應。
			  │
    2D(3)。		  │旁：舉例來說，兩個較小的天線，分開一百
			  │公里，同時觀測一顆星體，所得到影像的清
			  │晰程度，就如同使用一個直徑一百公里的大
			  │天線一樣。這種現象叫作「干涉效應」。為
			  │什麼干涉效應能夠提高解析率呢？

				  3


    主持人Standup。	  │主：我們可以從一個比較簡單的角度來看。
			  │我們說過，鏡面愈大，解析率愈高。
			  │
    2D(6)。		  │旁：兩個相隔一百公里的小天線，其實就等
			  │於一個直徑一百公里，但是大部份的鏡面都
			  │被遮住的大天線。部份的鏡面被遮住，並不
			  │會影響影像的解析率，只是集光的能力較差
			  │，同時也需要較複雜的影像處理過程。
			  │
    2D(8)，天線數目增加。 │旁：為了增加觀測的效率，天文學家使用的
			  │天線數目愈來愈多，組合也愈來愈複雜。這
			  │種合小為大，利用地球自轉作觀測的天線陣
			  │列，我們稱做「孔徑合成」電波望遠鏡。
			  │
    整個VLA的Shot。主持人 │主：1940年代，干涉效應首次應用在電波天
    Standup，樂起。	  │文學裏，以後干涉儀的規模逐漸增加。到了
    （17卷17:12）	  │1980年，壯觀的天線陣終於出現在美國西南
			  │新墨西哥州的沙漠裏。
			  │
    VLA 拍的實景。音樂，車│旁：這個天線陣，位在新墨西哥州索科羅市
    上的主觀鏡頭，陣列、旋│西邊八十公里，廣大的聖奧古斯丁平原上。
    轉的鏡頭。		  │巨大的天線排列整齊，在一望無際的沙漠上
			  │仰首向天，同步旋轉，景象十分壯觀，不知
			  │情的遊客還以為闖入了外星人的地球基地。
			  │
    VLA 的門牌。接VLA 全景│旁：這個天線陣從一九七五年開始建造，一
    。			  │九八０年完成，是世界上最大的「孔徑合成
			  │」電波望遠鏡，天文學家給它取名，叫做「
			  │巨大天線陣」。它共有二十七個直徑二十五
			  │米，重達一百九十三噸的碟型天線，排列成
			  │一個倒過來的Ｙ字型。
			  │
    VLA鐵軌鏡頭，主持人與 │旁：為了滿足天文學家對解析率及靈敏度的
    技師談話，接3D(3)，VLA│不同需求，這些天線可以用台車載運，改變
    倒Ｙ字型，拉高俯看，加│它們之間的距離。北方陣列最長可以達到十
    19，21等數字，加一個36│九公里，東南和西南陣列最長可達二十一公
    公里的大圓，疊上台灣北│里。在最大排列的時候，它的觀測能力等於
    部地圖，有台北及桃園。│一個直徑三十六公里─大概就是以台北到桃
			  │園作為直徑─的單一大天線。這個排列所能

				  4


			  │達到的最好的解析率，大約是0.05個角秒。
			  │
    主持人Standup。接2D(9)│主：0.05個角秒的解析率有多好？讓我們先
    ，東到西的弧度，再分為│看看一個角秒有多大。從東邊地平到西邊地
    分、再分為秒。	  │平，是一百八十度，一度又分作六十個角分
			  │，一個角分又分作六十個角秒。
			  │
    主持人手持一塊錢硬幣，│主：換作實際的例子，一個角秒，大概就是
    站於三公里遠處，鏡頭由│在三公里遠的距離看一個一塊錢硬幣的大小
    近迅速拉遠。	  │。
			  │
    主持人Standup。鏡頭迅 │主：因此0.05個角秒，大約等於在六十公里
    速拉遠，主持人消失，  │遠的地方看這個硬幣的角度，也就大約是站
    dissolve到台灣北部地圖│在中壢市，看台北市的一個一塊錢硬幣的大
    。（新竹→中壢）	  │小。
			  │
    跳接銀河，星系的過場畫│旁(O.S.)：當然，再好的觀測儀器，也不過
    面，接VLA控制室。	  │是工具而已。重要的是，它作出了什麼樣的
			  │科學成就？帶給我們什麼樣對宇宙新的認識
			  │？
			  │
    VLA鏡頭，控制室技術員 │旁：自一九八０年以來，天文學家使用這個
    操作。Dissolve太陽、行│巨大的天線陣，觀測過無數天體。小的有太
    星、星系的無線電波幻燈│陽、行星，大的有銀河、星系。在無線電波
    片，由可見光的全天照片│的波段裡，我們的宇宙，展現了一番完全不
    dissolve為無線電波的全│同的面貌。
    天照片。		  │
			  │
    主持人。		  │主：在我們討論這些新的發現之前，讓我們
			  │先和魯國鏞教授談談，看看這些天體為什麼
			  │會發出無線電波來？
			  │
    魯教授訪問。（10卷4:41│魯：「一般來說，我們晚上出去，看天上星
    至6:19）		  │星的光，可見光，這些光都是熱量產生的輻
    上字幕「美國伊利諾大學│射，電波天文裡看的輻射，跟那個完全不一
    天文系魯國鏞教授」。  │樣，而且在電波天文開始的時候，天體裡產
			  │生這麼多電波輻射是一件很意外的事情。.
			  │. . 結果了解了是電波的產生主要是「同步

				  5


    接蟹狀星雲幻燈片。上字│輻射」，為什麼同步輻射，就是在星際空間
    幕「蟹狀星雲的同步輻射│裡面有磁場，加上它有很多高能電子在磁場
    分佈圖像」。	  │上面迴旋運動，所產生與同步輻射器裡一樣
			  │的方式產生出來電波，就是同步輻射。」
			  │
    主持人Standup，接太陽 │主：我們在許多天體中，都觀測到了本質屬
    可見光照片。	  │於「同步輻射」的無線電波。這些無線電波
			  │告訴我們，這個天體表面有強烈的磁場，和
			  │大量的帶電粒子。太陽，就是一個很好的例
			  │子。
			  │
    Dissolve太陽無線電波照│旁：這是在無線電波段裡太陽的面貌，紅色
    片。PAN 紅白色區域，  │的區域發出無線電波，而紅區中的白點則是
    Zoom in 白點，dissolve│發出這些電波最強烈的地方。與可見光照片
    到可見光黑子圖像。	  │比對，我們發覺，這些區域和太陽黑子有密
			  │切的關係。這些強烈的同步輻射，就多半是
			  │黑子的磁場造成的。
			  │
    主持人講話，接木星的無│主：同樣的，磁場的存在也改變了行星在無
    線電波照片。	  │線電波波段裡的面貌。這個像是小蝌蚪的影
			  │像，實際上卻是我們太陽系裡最大的行星─
			  │木星─的無線電波照片。
			  │
    木星可見光照片，接3D(4│旁：木星具有強烈的磁場，是地球的四千倍
    )，木星旁的磁場，電子 │。這麼強烈的磁場，使得帶電粒子一旦接近
    繞磁力線運動，放出輻射│，就深陷其中，只能繞著磁力線作迴旋運動
    ，形成輻射帶。	  │，同時放出「同步輻射」。這個由磁場和帶
			  │電粒子所形成的輻射帶，比地球周遭的「范
			  │艾倫輻射帶」來的又寬又強。構築了木星周
			  │遭的一個奇異世界。
			  │
    主持人Standup。	  │主：現在讓我們把眼光放遠，超越太陽系，
			  │把電波天線指向我們的銀河中心，在那裡，
			  │我們看到了一幅更奇異的景象。
			  │
    接銀河中心的大尺度電波│旁：這是一幅由電波觀測得出的銀河中心物
    照片。		  │質分佈圖，由銀河中心伸展出許多細長的氫
			  │氣雲，由上而下穿過了銀河平面，每條雲氣
			  │纖維的寬度大概在三光年左右，也大約就是

				  6


			  │我們太陽系大小的兩千倍。這些雲氣纖維彼
			  │此平行，排列整齊，我們相信是因為有磁場
			  │的規範，這些雲氣才會如此規律。
			  │
    主持人，前幅照片的銀河│主：不過這還不是最奇怪的，當我們用更高
    中心Zoom in 接小尺度電│的解析率，看銀河最中心的時候. . . 。
    波照片。		  │
			  │
    （四改為三）	  │主(O.S.)：在三光年左右的範圍內，我們觀
			  │測到了大量的氫氣，以每秒鐘兩百公里的高
			  │速，繞著發出強烈無線電波的中心旋轉。這
			  │個中心，到底是個什麼樣的天體？
			  │
    主持人Standup。接3D(5)│主：要維繫大量的物質，在這麼高速的旋轉
    ，黑洞動畫，可用HST所 │下不致散失，在中心那一塊小小的地方裡，
    作的。		  │至少要有一百萬個太陽的質量才行。
			  │
			  │主(O.S.)：這麼小的地方，這麼大的質量，
			  │讓許多天文學家覺得，在我們銀河中心的這
			  │個神秘天體，除了黑洞之外，幾乎沒有別的
			  │可能。
			  │
			  │魯：「. . . 因為它的範圍太小，所以天文
			  │學家現在認為這個星系中心電源能量的來源
			  │猜想多半是一個大黑洞，旁邊的引力所產生
			  │的能量。」
			  │
			  │魯：「1993年，我們就發表了第一個這個小
			  │電源的電波分佈圖像，看出了它的大小，跟
			  │太陽系差不多大小，在天文來說是很小很小
			  │的一個天體，. . . 跟理論上推測這個黑洞
			  │的大小相差不大。
			  │
    主持人Standup。	  │主：我們的銀河中心，並不是宇宙裡唯一有
			  │這麼劇烈活動的地方，經由無線電波的觀測
			  │，在許多遙遠星系的中心，都觀測到了比我
			  │們自己的銀河還要強烈千百倍的核心活動。
			  │
    Cen A 的可見光照片，  │旁：南天的人馬座有一個巨大的橢圓星系，

				  7


    dissolve 電波圖片。PAN│距離我們一千兩百萬光年，可見光波段的照
    上下雲氣。		  │片看起來，除了中央的塵埃雲帶外，沒有什
    （以後加噴流撞擊星際介│麼特殊的。但是在電波觀測下，卻出現了上
    質形成雲氣團的動畫。）│下兩團巨型雲氣，這兩團雲氣是由星系中心
			  │高速射出的噴流撞擊星系間的介質而產生的
			  │。這些遙遠星系的噴流運動快速，尺度巨大
			  │，由一端到另一端，橫跨了一百五十萬光年
			  │。想想看，這個距離是我們自己銀河直徑的
			  │十五倍！
			  │
    接其他星系電波照片，如│旁：在其他許多遙遠星系的中心，我們也觀
    3C449,NGC1265,NGC6251 │察到了類似的現象，這些宇宙中奇妙而壯觀
    等。		  │的天象，都是拜電波觀測之賜，才得以發現
			  │的。
			  │
    VLA Shots。 	  │主(O.S.)：以上我們所談的，多半都是新墨
			  │西哥州的這座巨大天線陣，在過去十幾年裡
			  │所作的重要發現。雖然這個天線陣的能力很
			  │強，但是天文學家並不以此為滿足。
			  │
    接2D跨洲際VLBI。	  │主(O.S.)：在八○年代中期，天文學家開始
			  │試著使用跨洲際的電波天線作干涉儀。
			  │
    3D(6)，地球兩端的天線 │旁：這種跨洲際的基線較新墨西哥州天線陣
    。			  │的基線長得多，當然最長也就是地球的直徑
			  │，就是兩座天線在地球的兩側對一個星體作
			  │同步觀測。
			  │
    主持人Standup。	  │主：這樣的安排所得到的解析率是地面上最
			  │好的可見光望遠鏡的10萬倍。但是科學家的
			  │野心永不止息，現在在進行中的最新型的干
			  │涉儀，是計劃把一個小的碟型天線發射到繞
			  │地軌道上去。
			  │
    3D(7)，地球上與軌道中 │旁：如此一來，軌道上和地面的天線聯線觀
    的天線。Dissolve 到小 │測的基線可以長到兩三個地球的直徑。這樣
    尺度銀河中心的圖片。  │的設計能夠達到極高解析率，以幫助我們解
			  │答許多懸而未決的天文問題，譬如說，我們
			  │的銀河中心是不是真的有一個巨大的黑洞存

				  8


			  │在呢？
			  │
    主持人講話。（17卷22: │主：可是電波天文學家仍不以此為滿足，他
    54）		  │們21世紀的夢想是什麼？是在我們太陽系裏
			  │最清淨、最沒有人為無線電波干擾的地方架
			  │設天線。那是在那裏？不遠，就在月球背面
			  │。
			  │
    3D(8)，由月球影像Zoom │旁：我們知道，月球自轉一圈，所花的時間
    out，見月球邊轉邊繞地 │大概是29天半，也就是一個農曆月，而這剛
    球公轉。		  │好也就是月球繞地球一圈所需要的時間。因
			  │此月球永遠用相同的一面對著地球。也就是
			  │說，地球上的人，永遠也看不到月球的背面
			  │。
			  │
    主持人Standup，接2D(13│主：這樣的結果呢，使得我們在地球上人為
    )，地球電波掠過月球。 │製造的無線電波，無論是衛星通訊也好，三
			  │台的連續劇也好. . . 。
			  │
			  │主(O.S.)：永遠也不會到達月球背面。因此
			  │那是太陽系裏的一塊清淨土，最適合設置電
			  │波望遠鏡。
			  │
    主持人講話。	  │主：這樣一步一步的提昇解析率，我們對許
			  │多星體和星系的構造也就一步一步的有了更
			  │深入的了解。
			  │
			  │主：今天我們介紹了天文觀測裏很重要的一
    主持人講話。（17卷26: │環──電波天文學，無線電波不會受到雲霧
    33）		  │灰塵的阻擋，在星際空間裏通行無阻，是我
    接遙遠星系的圖片，及宇│們研究自己銀河中心，和遙遠星系細微構造
    宙星空等圖片。跳回主持│的最佳波段，也是我們尋找宇宙生物，以及
    人。		  │未來宇宙通訊唯一可用的一個波段。我們相
			  │信，在21世紀裏，這個領域，將會帶給我們
			  │更多的知識與驚喜。