劃時代的太空望遠鏡任務
陳文屏／中央大學天文所講座教授，除了研究恆星及星團形成，也熱心推動科學普及活動。
邵逸夫獎由香港電影人邵逸夫爵士於 2002 年創立，2004 年開始頒發，表彰全球有重要成果的科學家，也被稱為「東方諾貝爾獎」，獎項分為數學、天文學、生命科學與醫學。諾貝爾獎本身有物理學獎，其中雖然也包括天文物理，但主要還是注重在整個物理領域。而邵逸夫天文獎則主要表彰科學家理解宇宙的成就。天文學包括地理學（我們的所在和周遭環境），也涵蓋天體的來龍去脈，也就是歷史學。我們在學校學的歷史、地理，這些科目僅限於與人有關的知識；但天文學中的歷史包含地球、太陽、銀河系等天體，以及宇宙本身的生、老、病、死。
▲圖一｜蓋婭望遠鏡觀測到的太空。圖片提供／《科學月刊》，圖片來源／ESA/Gaia/DPAC, CC BY-SA 3.0
2022 年第 19 屆邵逸夫天文獎獲獎者為瑞典隆德大學（Lund University）的天文學家林德格倫（Lennart Lindegren）和愛爾蘭都柏林大學（University College Dublin） 的天文學家佩里曼（Michael Perryman），以表彰他們一生對天體測量學（astrometry）的貢獻，尤其在「依巴谷」（Hipparcos）和「蓋婭」（Gaia）註1兩個太空望遠鏡的構想和設計上所扮演的角色。
太空望遠鏡衛星——依巴谷與蓋婭
天文觀測是對亮度、光譜、偏極化等數據的測量，天體測量學則特別指觀測天體的位置與運動。歐洲太空總署（European Space Agency, ESA）在 1989 年發射依巴谷，這座口徑 29 公分的望遠鏡是第一個專精於精密天體測量的太空望遠鏡。依巴谷在環繞地球的軌道上，重複從不同角度度量星體的位置，再根據視差現象來估計星體與地球的距離，同時推導星體本身在太空的運動，也就是該星體在經過一段時間後移動了多少角度，天文學稱之為「自行運動」。依巴谷運作至 1993 年，研究團隊也於 1997 年發表將近 12 萬顆恆星的數據。
歐洲太空總署隨後於 2013 年發射蓋婭望遠鏡，將天體測量推至更上層樓。蓋婭望遠鏡並非如依巴谷望遠鏡般繞行地球，而是位於距離地球約 150 萬公里的第二個拉格朗日點（L2）軌道。因為跟著地球一起繞著太陽，蓋婭容易維持穩定軌道，也可以減少太陽與地球造成的「光害」。蓋婭望遠鏡將持續提供超過十億顆星體精準的三度空間數據，主要是恆星，另外還有太陽系內的行星、彗星、小行星，以及系外行星、鄰近星系（當中的恆星）與類星體等，預期任務期限將超過原本設定的 2024 年。
此外，蓋婭還有些特別之處。一般望遠鏡採用圓形光學元件，所以星球的影像會呈現圓形，但由於與望遠鏡搭配的數位相機偵測器像素（pixel）為方形，將使得星點落在各像素內的光量產生誤差，影響測量到的天體位置。為了解決這個問題，蓋婭望遠鏡的光學元件採用特殊的長方形，主要鏡面的尺寸為 1.45 公尺× 0.5 公尺，最後的星點呈方形，在可見光波段極限大約為 21 星等，包含了大約銀河系中 1％ 的恆星。除了成像，望遠鏡還另外配備了光譜儀，提供星體光度、溫度、表面重力、成分等資訊，這些都是研究銀河系天體的劃時代珍貴數據。
利用視差 將天體位置測得更精準
而這次兩位天文學家獲獎的成就在於「把天體位置量得準確」，以往地面觀測會受限於大氣擾動，模糊了星點、影響了定位。依巴谷望遠鏡測量恆星位置的精度約為 0.001 角秒，相當於在 5,000 公里之外看 10 元硬幣的張角註2；蓋婭望遠鏡對於天體位置的測量精度進一步達到 1/100 萬角秒，比依巴谷又提高了 1,000 倍。
蓋婭在 L2 軌道運行，重複測量天體坐標，據此估計天體的距離及運動。在地球觀看恆星時，恆星的位置會被投影在太空（天球）中的某個方位；過了一段時間，如果這顆恆星比較近，當地球繞著太陽公轉時，就會因為觀看的角度改變導致視差現象，造成恆星投影到天球的不同方位。這個方位差異在一年當中的最大角度稱為「週年視差角」（圖二），假設恆星的週年視差角為 p，因為三角形對邊是一天文單位（astronomical unit, AU），利用三角學原理便能估計出這顆恆星跟我們的距離 d，為 p 的倒數（
）。1 AU 的張角若為一角秒，則所在的距離定義為一秒差距（parsec, pc），約等於 3.26 光年（圖三）。因此某顆星以角秒為單位的週年視差角，在數值上的倒數就等於以秒差距為單位的距離；使用方便的單位，數值轉換也更容易。
▲圖二｜視差現象：當地球繞行太陽，在不同位置看到距離比較近的恆星（★符號）會有「視差現象」，也就是距離近的恆星會因地球公轉而改變方位（天球坐標），遙遠的天體則不會變動。在地球軌道上（基線為 2 AU）測量的恆星一整年的最大視差角為 2 p。紅星距離愈遠，p 角愈小。
▲圖三｜基線、距離、週年視差角的關係：左圖是「秒差距」的定義，也就是 1 AU 的張角為 1 角秒，所在的距離相當於 3.26 光年，紅色數字表示 1 AU 跟一秒差距的比例差不多為 1：20 萬；右圖示意某星的週年視差角為 p 角秒，則這顆星的距離為 
秒差距，也就是數值上等於週年視差角的倒數。
距離是天體的基本參數，例如從地球看到某天體的亮度，再考慮其距離，才能得知天體實際發光的情形。但僅依賴來自天體的訊號（光）來估計距離並不容易，就好像在黑暗的晚上，若從後照鏡看到微弱光點，會無法判斷光源是來自於遙遠的路燈，還是跟在後面的摩托車。利用視差現象是估計天體距離最直接的方法，不過距離天體愈遠、週年視差角愈小，因此測量微小角度將會是工程技術上的挑戰。
自行運動與誤差帶來的挑戰
除了度量微小角度有困難，還有另一大難關：自行運動。星球本身在太空也會移動（圖四），而地球觀測者看恆星在太空中的運動，可以分成沿著視線方向（徑向）的分量，以及與此垂直（也就是投影沿著天球移動）的分量，也就是自行運動。其中徑向運動可以利用都卜勒效應（Doppler effect）來估計移動的快慢，單位為公里／秒；而自行運動則是天體在天球位置（方位）改變的快慢，單位是角秒／年，因此同樣的自行運動數值，比較遙遠的天體在太空中實際上動得比較快。蓋婭望遠鏡在不同時間測量同顆星的位置，便能推導出這顆星與地球間的距離，同時可以測得自行運動。蓋婭測量自行運動的精度依天體亮度而異，最高精度可達每年 0.001 角秒。結合距離與自行運動的測量值，便能算出該天體投影在天球的空間運動；再配合蓋婭的光譜估計得出的徑向運動，就能得出這顆星體的三度空間運動，另外再加上坐標與距離，便得到天體六維（空間位置以及運動狀態）的資訊。
▲圖四｜恆星本身在太空的運動：在地球觀測到恆星在太空運動的情形，其中沿著觀測者視線方向的分量，稱為「徑向運動」；而垂直於此方向（也就是投影在天球上）的分量，稱為「自行運動」。恆星距離愈遠，自行運動（角度變化）愈小。
以上原理說起來簡單，但在實際執行上其實有諸多困難。得到準確的坐標只是第一步，在不同時間量到的坐標數值必須同時解出視差角（地球運動所造成）及自行運動（恆星本身運動所造成）。因此能獲得愈多資料點，橫跨的時間愈長，結果才愈精確。另外從週年視差（角）估計距離實際上並非簡單的倒數，因為測量總有誤差。假設測量結果是 p±δp，即使誤差 δp 呈現常態分布，倒數 則會呈現另種統計分布，距離的估計就變得困難許多。例如某顆遙遠恆星的 p 數值小，光點相對較暗、不清晰，位置當然就量得比較不準，據以估計的視差角與運動誤差也比較大。由於 p 數值小，那麼在 δp 誤差範圍內可能包含負值，以此數值的倒數來計算距離（負距離）也就沒有意義。再加上上述的假設其實沒有探討到太陽本身在太空的運動，如何扣掉太陽在各方向的運動，就需要更準確的測量和計算了。這表示天體測量學不但需要尖端工程技術來取得精確的數據，還需要準確的校正，然後利用獨到的數學與統計分析來推導出結果。
▲圖五｜M15（Messier 15）球狀星雲的圖像， 由蓋婭望遠鏡的數據製作而成。圖片提供／《科學月刊》。圖片來源／NASA
依巴谷和蓋婭帶來的革命性數據
兩個太空任務的關鍵推手⸺林德格倫和佩里曼⸺在天體測量學歷年來都有重要貢獻，分別已獲獎無數，這次同時獲獎學界都認為實至名歸。林德格倫於 1993 年與佩里曼共同提出蓋婭望遠鏡的構想，並在 2013 年成功發射。到了 2022 年 6 月 13 日，蓋婭釋放了第三批數據，包括全天將近 15 億顆天體的坐標、自行運動、週年視差角（距離）、三個不同波段的星等，另外還有恆星參數，像是表面溫度、表面重力場、消光、光譜型態、化學成分、徑向速度，以及推導出部分恆星的質量、年齡、可能雙星、自轉等。因為有來自不同時期的資料，因此也提供了一些物理量隨時間變化的可能（例如亮度、徑向速度）。除了恆星，蓋婭數據也包含了太陽系天體和一些遙遠類星體的參數。這些讓人讚嘆的龐大數據庫，對於天體性質、銀河系結構將有革命性影響，而這些還只是蓋婭望遠鏡 2014 年 7 月～2017 年 5 月的觀測結果，預期日後仍將帶領一代天體測量學的風騷。
2022 年邵逸夫天文獎授予兩位科學家，實際榮耀當然歸於整個團隊，也向人類精密工業致意，共詠探索宇宙歷史與地理的努力。
註 1：依巴谷的全名是 HIgh Precision PARallax COllecting Satellite，中文譯名不一。此名稱是為了紀念希臘學者喜帕恰斯（Hipparchus），他是三角測量學的始祖，也被公認是古代最偉大的天文學家，在西元前 100～200 年就測量了月球與地球間的距離，甚至發現了春分點的歲差運動。蓋婭計畫原名稱為「全域天文物理測量干涉儀」（Global Astrometric Inteferometer for Astrophysics），後來雖未採用干涉技術，但仍沿用「Gaia」這個縮寫。蓋婭的名稱來自希臘神話，以一切生命之母的大地女神借喻，指此太空望遠鏡將提供生命發展所在（地球）的宇宙「地理」，包含周圍天體的方位、距離、運動狀態。
註 2：一個圓周的張角為 360 度，而其中一度的 1/60 為一角分（1’），而一角分的 1/60 就是一角秒（1’’）；所以一角秒是很小的角度，相當於 1 度的 1/3600。
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本文轉載、修改自《科學月刊》2022 年 8 月
