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天文學研究其中一個子領域是觀測短暫劇烈爆發的天體現象。這些瞬變(transient) 的事件往往與奇異且高能的緻密天體有關。舉例來說，上個世紀發現會週期性發射電波脈衝的脈衝星(pulsar)讓我們得知中子星的存在、某些X光瞬變的事件是黑洞可能存在的觀測證據之一、伽瑪射線暴(Gamma ray burst) 與大質量恆星爆炸和雙中子星合併事件有關，及近年重力波實驗探測到許多雙黑洞的合併事件等等。觀測這些擁有極端條件的天體，提供我們對宇宙和星體演化的認識、物理定律(如重力理論)的驗證，也拓展了人類對物質的認知與想像。

近年天文學一個熱門且未解之謎是2007年被天文學家發現新的瞬變現象——快速電波爆(Fast Radio Burst, 以下簡稱FRB)。FRB是為時僅有約千分之一秒的強烈電波脈衝，在這瞬間釋放出的能量與太陽在數天內發出的總能量相當 。儘管發現至今16年來已探測到上千個FRB事件，我們對FRB的來源天體和發生機制仍知之甚少。除了一個事件確認來自銀河系內，有兩個證據顯示其他FRB事件皆來自銀河系之外。一是FRB事件在天上的來源方向近乎均勻分布，而不是集中在銀河系盤面上；另外FRB脈衝訊號有很明顯的「色散」現象：低頻的電波到達地球的時間比高頻波還晚(圖一)。這個時間延遲主要是由於宇宙中分布著游離的電漿雲氣，低頻電波在電漿中的傳播速度較高頻波來得慢所致，而延遲的多寡正比於從源頭到地球沿路有多少電漿。從觀測推算得到的電漿量，比銀河系內會經過的雲氣要來得多，所以FRB訊號得經過銀河系外、星系與星系之間的雲氣才有法解釋。  
 

(圖一)圖下半是2007年Lorimer團隊發現的第一個FRB的原始訊號 ^[1]。縱軸為電波頻率，橫軸為時間，顏色亮暗代表訊號強度(水平橫線部分是受干擾而排除的頻率)，可以看到電漿導致的高低頻訊號到達有時間差的色散現象。從此時間差推算得知此FRB應當來自銀河系外。圖上半是修正色散後加總所有觀測頻率的訊號(脈衝太明亮造成觀測系統飽和，導致後半段記錄到的雜訊降低)，顯示脈衝持續時間只有數毫秒。(圖片來源：E. Petroff et al. ^[2])。

在這些FRB事件當中，約莫有50個爆發源會反覆爆發，意味著至少有一部分的FRB不是來自會造成星體毀滅的一次性事件(如大質量恆星塌縮造成的超新星爆發)。而這上千FRB事件中，只有約40個有定位找到對應的宿主星系(大多是靠會反覆爆發的FRB)。除此之外，至今還沒有觀測到電波爆發時在不同電磁波段伴隨對應的現象。由於觀測的匱乏，目前學界有眾多的理論模型試圖解釋這樣劇烈的爆發要如何產生，但仍莫衷一是。

為何過了許多年，FRB的觀測仍然不足？ 世界上現有的大型電波望遠鏡，它們大多非常靈敏、能觀測宇宙中深遠幽暗的天體，但是並非專為探測FRB而設計。它們的視野較狹窄(100平方度以下)，難以有效率地作大範圍的巡天觀測。 因此它們發現的大多是距離我們較遙遠、較昏暗的FRB，這造成後續用不同波段搜索對應的爆發源也較困難。窄視野的另外一個缺點是無法長期監測特定的FRB源，所以難以判定至今發現的FRB事件還會反覆爆發的比例有多少。另外是這些望遠鏡單獨的定向FRB的能力較差，常常不足以辨別遠方的FRB是來自哪個星系。為了解答FRB的來源是什麼天體、是否所有FRB都會反覆爆發，只是我們追蹤觀測不夠久、它們爆發的機制是什麼等等問題，克服觀測上的侷限是當務之急。

臺灣宇宙電波爆廣角監測實驗 (Bustling Universe Radio Survey Telescope in Taiwan，以下簡稱 BURSTT) 是中研院天文所與國立臺灣大學、國立清華大學、國立中興大學、國立彰化師範大學等大學合作，為觀測FRB量身打造的計畫。BURSTT在設計上具備兩個能力：一是能隨時監測廣闊天區(約100度 x 100度範圍)並高效地捕捉短暫的脈衝訊號 ，才可以快速累積FRB的觀測數量，提供給天文學家分門別類歸納出FRB的特性；二要有高角解析度來精準定向FRB訊號來源，以便和其他波段的望遠鏡作偕同觀測，來研究FRB對應的來源天體以研究爆發機制。

BURSTT的觀測頻段為300-800 MHz的電波，使用相位天線陣列的技術來達成廣天區的脈衝監測。相位陣列是由眾多的天線排列組成，藉由將各個天線接收到的訊號數位化後再合成疊加，達到有如一面與陣列總面積同等的大型天線的觀測效果。比起單面大天線，相位陣列有許多優點：一來天線的擺放固定不需調整，可省去轉動天線的機械構件和建造成本。二來天線數量可以逐步擴增，提升靈敏度。三是藉由調整每個天線的數位訊號彼此之間的延遲時間差(相位差)，即可讓陣列同時對多個不同方向做觀測──對於給定方向入射的電波，每個天線因位置不同，所以接收到訊號的時間彼此會有差異；只要在數位訊號處理時補償每支天線的接收時間差，就可以讓所有天線的訊號建設性相加，使陣列對這個方向會特別靈敏，此技術稱作波束成形(beamforming)。

為了要能定位FRB所在的宿主星系和對應的天體源， BURSTT的角解析度(約為觀測波長除以最長的天線間距) 至少需達到1角秒 (即1/3600度)，設計上會由一個規模較大的主要天線陣列(主站)，加上數個與主站相距100公里以上的周邊天線陣列(支站)組成。臺灣本島大小及與外島的距離恰好符合條件。

(圖二)目前正陸續建造和測試中的BURSTT天線陣列：位於宜蘭福山植物園的主站(左)、分別位於台灣北端富貴角(右上)和南投台大實驗林(右下)的支站。 圖中黑色物是接收天線、旁邊的盒子內有訊號放大器和濾波器(右下圖白色箱型物為天線罩)，連接到附近的資料擷取系統。

那麼天線站要建在哪裡好呢？站址的首要考量是來自人為產生的電波干擾要越低越好。不巧的是，BURSTT的觀測頻段涵蓋了無線電視與4G行動網路使用的頻率，這些帶來生活便利的電波訊號對電波天文學家來說反倒成為了「光害」。此外許多電子產品、電源或動力設備內有開關電路或是會產生電弧的設備 (如電燈、整流器、馬達等)、也會產生反覆的脈衝電波干擾觀測。由於臺灣地狹人稠，且通訊基地台的涵蓋率高，因此理想的觀測地點是偏遠地區的山谷中或是少人居住的離島，利用地形和距離來屏蔽和降低干擾。但是設站仍需考量到便利性，如交通、電力、網路等基礎設施，以便建造、維護、開發測試階段的系統調整。

因此我們在臺灣本島和外島各地進行一系列的實地探勘並量測當地電波背景雜訊後，選定主站設在被原始山林環繞的宜蘭福山植物園，支站則選在南投鹿谷的臺大實驗林、還有富貴角及綠島的中研院研究站內 (見圖二)。我們另外也正在評估籌畫距離更遠的東沙島，以及國外夏威夷、日本、泰國和印度等地建站。

目前BURSTT主站已安裝了64支天線，南投和富貴角的支站則各有16支在進行觀測。臺灣的氣候日照強、高溫多雨、不時還有颱風，所以這些戶外設備的設計上必須要耐天候如抗紫外線、抗強風、防水、散熱；在海邊還需要抗鹽蝕、山上則要防止可能有猴子、山豬等野生動物來打擾。另外電子設備還需要能屏蔽電波干擾──不讓觀測系統本身產生的雜訊干擾觀測，也不讓外界的電波干擾從天線以外的地方被接收。這些性能目前正在各個天線站進行長時間的測試和評估。 
       
BURSTT的另一個挑戰是即時運算處理大量的資料，一個有256支天線的主陣列的資料流量約是每秒100 GB。這些要靠資料擷取系統中的高效能運算設備，其工作包括將電波訊號數位化、轉換成頻譜、抑制訊號干擾、調整相位差作將訊號合成、然後再自動判別是否有疑似FRB的脈衝訊號在其中。 因為儲存空間有限，只有當訊號符合某些觸發條件時，系統才會將資料儲存到硬碟裡 (類似道路上的測速照相，車輛超速才會拍照)。主站被觸發後立刻通知支站們作同步觀測並儲存資料。另外為了要精準定向FRB訊號，要如何將主站和支站的時間同步達到1奈秒以內的精準度來進行特長基線干涉 (VLBI)，也是現階段開發的重點之一。

目前BURSTT正追蹤觀測天空中明亮的電波源，如太陽、脈衝星、電波星系等，逐步驗證系統的性能。同時我們也在調整演算法來降低雜訊干擾以提高靈敏度 。我們計畫在今年可將主站(256支天線)和支站們(64支天線)落成，預期每年能偵測到約100個較近距離的FRB事件。期待穩定的事件累積和對應源的研究，能解答快速電波爆起源之謎。

參考文獻：

1.D. Lorimer et al., "A bright millisecond radio burst of extragalactic origin", Science 318(5851), 777-780 (2007). 
2.E. Petroff, E., J. Hessels, abd D. Lorimer, ”Fast radio bursts”, Astron Astrophys Rev 27, 4 (2019). 
3.H. Lin et al., "BURSTT: Bustling universe radio survey telescope in Taiwan", Publications of the Astronomical Society of the Pacific 134(1039), 094106 (2022). 
4.BURSTT計畫官網：https://www.burstt.org/