歐柏昇／臺大物理系、中研院天文所博士生，全國大學天文社聯盟理事長。

 

 

西元 1800 年， 英國天文學家赫歇爾（William Herschel）發現，太陽光裡面存在一種「看不見的光線」，也就是紅外光。現在我們知道，電磁波的頻譜相當廣泛，從短波的 γ 射線，到長波的無線電波，大多光線都無法用肉眼看見。

由於我們的眼睛只能感測到可見光，因此宇宙中的很多事物都無法「眼見為憑」。不過如果能利用科學儀器，偵測來自宇宙的多波段光線，我們的視野就會變得開闊很多。

 

處處皆是可見光看不到的東西

為什麼物體會發出不同波段的光？根據量子力學，光子如果能量越高，頻率就越高。也就是說，各種不同能量的光，位在電磁頻譜的不同波段。

物體的溫度是決定發光波段的重要因素。太陽表面相當熾熱，約為絕對溫度 5,700 K，發出的黑體輻射以可見光為主。至於地表和人體，都比太陽冷得多，不太會發出可見光，但是能發出強烈的紅外光，這就是為何我們可用紅外光感測器量體溫。

此外，原子、分子可放出特定能量的光，並在特定頻率形成譜線，相當於化學成分的指紋。許多分子的譜線都位於無線電波，而不是在可見光。還有一些特殊的輻射機制，例如高能粒子在磁場中旋轉時， 會發出「同步輻射」（synchrotron radiation），橫跨眾多波段。

宇宙中的天體大多太遙遠，我們很難把儀器送到現場直接測量，所以大部分天文觀測的途徑都是透過接收光線，也就是分析電磁輻射。而電磁輻射是複雜的物理現象，各種輻射機制發光的主要波段不盡相同。因此，需要靠著多波段觀測，才能捕捉宇宙豐富多變的樣貌。

現在我們從著名的超新星殘骸蟹狀星雲（Crab Nebula，圖一），來看多波段觀測帶來的好處。這顆超新星爆發後，留下了一個中子星，周圍有高能量的粒子在強磁場中旋轉，放出同步輻射。在紫外光和X 射線的影像中，可以清楚看到這些高能量的同步輻射。至於可見光的影像上，則在更外圍顯示了一些絲狀構造。這些絲狀物質是超新星爆炸的拋出物，它們被高能的輻射照射後，原子會發生游離，而後發出可見光。此外，超新星殘骸內部還有不少塵埃，待塵埃吸收光子之後，就可以轉而放出較低能量的紅外光。這個例子告訴我們，即使只是單一的天體內部，各個物理結構所發出的光線，可能就落在不同波段了。因此藉由多波段的觀測，我們才能看清楚天體的全貌，以免落入瞎子摸象的窘境。

 

▲圖一：利用多波段觀測，才能拼湊出蟹狀星雲的完整面貌。
圖片提供／《科學月刊》，圖片來源／NASA, ESA, G. Dubner (IAFE, CONICET-University of Buenos Aires) et al.; A. Loll et al.; T. Temim et al.; F. Seward et al.; VLA/NRAO/AUI/NSF; Chandra/CXC; Spitzer/JPL-Caltech; XMM-Newton/ESA; and Hubble/STScI

 

再來看看我們居住的整個銀河系家園，裡頭存在著許多可見光看不到的東西。夜空中璀璨的可見光銀河，只是銀河系的片面樣貌而已。銀河盤面上有厚重的塵埃，可見光無法穿透，因此我們會看到漆黑一片的暗帶。不過，如果你擁有一雙可接收紅外光的眼睛，暗帶反而會變得特別明亮，因為這些冰冷的塵埃所發出的熱輻射，主要落在紅外光；如果能夠看見 X 射線，則超新星殘骸、星際氣泡的高溫氣體也會現身；如果你還能偵察特定的譜線，那我們就可以掌握更多化學成分的資訊。例如氫分子的影像，可以看到孕育恆星的分子雲，而這些雲氣多位於可見光的暗帶上（圖二）。

 

▲圖二：利用多波段觀察銀河，會發現可見光的暗帶上並非空無一物，在許多其他波段看來，這些暗帶反而是明亮的地區。
圖片提供／《科學月刊》，圖片來源／NASA Goddard Flight Center/Penn State

 

多波段天文觀測開啟新視野

1945 年二戰結束後，電波天文學（radio astronomy）迅速發展，天文學才往可見光以外的領域開拓。1960 年代的幾項重大發現，包括類星體、脈衝星、宇宙微波背景輻射等，都是由電波望遠鏡觀測後得到的成果。

電波望遠鏡以天線為主體，利用接收機收集訊號。它們的長相和一般人熟悉的「望遠鏡」相當不同，通常和衛星電視使用的碟形天線差不多。此外，我們平常所認知的「攝影」，是一次曝光就拍出一張包含多個像素的照片，甚至手機的內建相機都可達數千萬像素。電波望遠鏡則不同，通常一次只能看一個定點，也就是一張照片只有一個像素，因此需要在目標的範圍內逐次掃描成像。

在光的繞射效應下，對於同樣大小的鏡面而言，波長越長，則解析力越差。由於電波的波長遠大於可見光，若要得到相近的解析力，則電波望遠鏡的鏡面需要做得非常巨大。慶幸的是，還有一種聰明的辦法，就是利用「干涉儀」的技術，把很多台望遠鏡組合起來，等效於一台巨大的望遠鏡。位於智利的阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列（ALMA，圖三）望遠鏡，就是運用這種技術，帶來前所未有的解析力。2019 年公布的黑洞影像，就是電波干涉技術的功勞。而拍到黑洞的「事件視界望遠鏡」（Event Horizon Telescope, EHT），其實是由全球各地多個望遠鏡串連觀測，相當於一台地球大小的望遠鏡，於是能擁有極高解析力，而 ALMA 在其中有關鍵的效果。

 

▲圖三：2013 年正式啟用的阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列，擁有相當高的解析力。
圖片提供／《科學月刊》，圖片來源／ESO/S. Guisard

 

除了可見光、無線電波，以及少部分近紅外光波段的「大氣窗口」之外，大部分的電磁波段都無法穿透地球大氣。於是從 1960 年代起，科學家開始運用火箭、探空氣球等方法觀測天體。隨著人造衛星的技術進步，許多太空望遠鏡陸續升空，能夠長期在地球大氣的干擾之外，進行各種波段的天文觀測。

1960 年代，紅外光天文學（infrared astronomy）發展之初，首先運用近紅外光少許的大氣窗口，建造地面望遠鏡來觀測，結果發現了被厚重塵埃包裹的新生恆星，也看見垂死恆星拋出的大量物質。近年來，科學家將紅外光望遠鏡送上了太空。這些太空望遠鏡不再需要在大氣窗口中「鑽漏洞」，各種波長的紅外光都可順利觀測。2021 年底發射升空的詹姆斯‧ 韋伯望遠鏡（James Webb Space Telescope, JWST），就是以紅外光為主要目標，用於探索早期宇宙、尋找系外行星、窺視塵埃包覆的星球。

紅外光望遠鏡的技術與可見光相似，不過環境中有太多物體會發出紅外光，而干擾觀測。所以，冷卻系統對於紅外光望遠鏡非常重要。以詹姆斯．韋伯望遠鏡為例，它運用了 5 層「太陽盾」（sunshield），阻擋來自太陽和地球的紅外輻射將溫度降至約絕對溫度 50 K；中紅外光的觀測，甚至需要運用主動式冷卻系統，降溫至絕對溫度 7 K。

至於 X 射線天文學觀測，則幾乎無法在地面上進行。1962 年，美國科學與工程公司（American Science and Engineering, AS&E）的火箭升空觀測，找到了第一個太陽系外的 X 射線源──天蝎座 X-1。這是一個 X 射線雙星系統，中子星正在從伴星吸取物質。當物質高速墜落在中子星的盤面上，會放出極高的能量，產生明亮的 X 射線。

X 射線望遠鏡的設計，是一門獨特的學問。由於 X 射線的能量太高，打到金屬鏡面的時候大多會被吸收，就像是子彈高速穿入牆壁一樣，無法反彈出來。只有幾乎平行鏡面的入射光，掠過鏡面後才可以反射出來，聚焦到偵測器上成像。因此，X 射線望遠鏡的鏡面並非碟面，而是筒狀的結構，才能接收幾乎平行鏡面的光。

各個波段的天文觀測，分別仰賴不同的技術，接收不同能量的光線。隨著多波段觀測技術的進展，人類的「視線範圍」從大約 400～700 奈米（nm）波長的可見光波段，大幅擴展到幾乎整個電磁波頻譜。於是，我們能夠窺探可見光之外的宇宙，避免瞎子摸象的窘境，拼湊出宇宙更完整的面貌。

 

▲表一：各種天文觀測波段比較。

 

延伸閱讀

1. Chandra X-ray Observatory, https://chandra.harvard.edu/.

2. ALMA Observatory, https://www.almaobservatory.org/.

3. James Webb Space Telescope, https://www.jwst.nasa.gov/.

 

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本文轉載、修改自《科學月刊》2022 年 3 月