研究新領域報導: 「次毫米波」──地面觀測最後的波段

研究新領域報導

「次毫米波」──地面觀測最後的波段

中央研究院天文及天文物理研究所籌備處袁旂

中央研究院天文及天文物理研究所籌備處正在進行一個發展次毫米波陣列的計畫 (Sub-Millimeter ARray of Taiwan, SMART)．這個計畫包括建造兩座6m次毫米電波望遠鏡，這兩座望遠鏡分別將放在夏威夷島的毛納基峰(Mauna kea) 與哈佛一史密松天文台的六座同型的次毫米電波望遠鏡聯合觀測，這將是世界上第一個次毫米陣列．在毛納基峰上的七國十三個天文觀測台中將會成為最具特色，最有潛力的觀測台之一．

大氣層將波長短的電磁波擋住，電離層將波長長的電波擋住，在地面上只有兩個透明的電磁波窗口，一個是光學窗口，一個是電波窗口，光學窗口自伽里略1609年首先使用望遠鏡於天文觀測以來，已經被人類淋漓盡致的利用了．電波窗口，自顏斯基1937年發明電波望遠鏡以來，電波望遠鏡如雨後春筍般的出現．成為天文學起後的一個主導力量．介於光學窗口與電波窗口之間的電磁波波段並非完全不透明，靠近光學窗口的紅外線及靠近電波窗口的毫米波，地面上都多多少少能觀測得到．

次毫米波的頻率在300-900GHz之間，波長1-0.3mm ，透明度比不上毫米波與遠紅外線，在海拔低的地面上很難觀測得到，要在 4000公尺以上，氣候乾燥，氣流穩定的高地才能看到．毛納基與智利北部的高山是目前唯一有條件的觀測點．然而觀測點，並不是僅有的困難，高頻率接收機的製造是僅一困難．一直到最近，超導技術的成熟，才能用SIS Junc- tion成功地做出次毫米波的接收機．所以次毫米波波段仍是地面觀測唯一未被開發的「處女地」．

毫米波天文學是在80年代才發達起來，毫米波能通過星際塵埃將埋在塵埃中的天文信息傳過來，這些信息使我們對恆星的形成及星系形成有了新認識，次毫米波天文學將把我們在這方面的研究帶到更高的層次去．我們知道角解析度是與波長成正比的，波長愈短，解析程度愈細，所以次毫米波比毫米波的角解析度超出10倍．另外速度的解析度是與頻率成反比 ( ，u 頻率) ，所以速度解析度也超出毫米波10倍．不僅如此，在次毫米波波段中，分子譜線非常豐富，而且都是星雲中常見的分子．所以次毫米波是天文的大寶庫，將扮演二十一世紀初期天文發展的主角．

人類對「起源」問題的研究有特別的偏好，我們不斷的追求「生命的起源」、「人類的起源」、「地球的起源」、「太陽系的起源」、「銀河系的起源」以及「宇宙的起源」．次毫米波將是追求後四個起源利器，完成後的陣列(八個天線)，角解析度可以到 0.1"，速度解析度到0.01-.1RM/.sec．我們可透視到恆星形成的地區，看到正在形成的原生星及其拱星盤，如果它離我們近的話，我們甚至可以看到正在盤中形的大行星，整個太陽系與類地行星的形成就呈現在我們眼下了．往遠的方面，我們可以觀測正在形成的原生星系，這些星系目前能看到的寥寥無幾，天文學家認為次毫米波是尋找它們的利器，我們可以從原生星系找出線索，讓人類更進一步了解星系之起源與宇宙起源的問題．往近的方面，我們可以看到太陽系其他行星表面的環流，了解其物理機制，進而對地球表面大氣的變化及演化有所了解．

次毫米波的陣列是天文干涉儀，這也是天文觀測重要的發展，掌握這個技術有利於我們發展光學干涉儀，這也是有潛力研究的方向．次毫米波望遠鏡的接收機包括兩個重要部份，一個是低溫超導的SIS Junction混波器，一個是低雜訊HEMT放大器，這都是未來通訊上的極有用的技術．中央研究院正與清華合作製造高頻的混波器，與中央大學合作，製作低雜訊的HEMT放大器，與台大合作組裝測試接收機，這些計畫都是在國科會整合型計畫下所支助的專題計畫．至於天線本身部份，則與航發中心的航空研究所合作生產高精確度的拋物面天線．總之，我們要藉這個計畫讓台灣的工業界和學術界有機會掌握並發展些高科技．

次毫米波陣列將是下一世紀初最具威力的天文望遠鏡，我們希望能夠抓住這個機會，率先走入先進的研究行列裏去，讓台灣的天文學壯大起來．