新聞標題【民報】【民報書摘】黑洞捕手—台灣參與史上第一張黑洞照片的故事
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【民報書摘】黑洞捕手—台灣參與史上第一張黑洞照片的故事

2020-05-20 16:29
作者:陳明堂Chen, Ming-Tang
譯者:
出版社:天下文化
出版日期:2020-03-31
官方網址:

天大的事,台灣做到了!

當我們可以上太空,可以看見5,500萬光年外的黑洞,那麼,眼前還有什麼挑戰,是我們沒有勇氣面對的?— 蔡英文 中華民國總統

☆地表最大的天文事件——黑洞攝影的幕後故事

☆全台灣最強的望遠鏡建築團隊,遠征沙漠與極地的冒險

☆資源有限的台灣,在國際舞台上以小博大的智慧

終於,人類見證了黑洞的存在,進一步證實廣義相對論,距離完成宇宙之謎的大拼圖,又邁進大大的一步。

中研院領軍的台灣望遠鏡建築團隊,是這次全球黑洞攝影計畫的關鍵推手。二十五年來,他們面對著氣候的嚴酷、離鄉背井的孤獨,與國際政治的凜冽……他們建築的,不是望遠鏡,而是智慧的天梯,把宇宙的真相帶到人類眼前。

【國際權威推薦】

人類史上第一張黑洞照片誕生,讓全世界都看見台灣的研究實力。陳明堂重現二十五年來,幕後團隊以小搏大、克服困難,探索宇宙的過程。他們是激勵人心的台灣黑洞捕手,吸引下一代投入基礎科學領域!——廖俊智 中央研究院院長

神秘的黑洞,世人都想一窺究竟。終於在2019年,全球眾多團隊齊心協力,捕捉到第一張黑洞照片!解謎過程中,科技部長期支持的中研院及大學的天文團隊貢獻卓著。本書《黑洞捕手》敘述台灣團隊的奮鬥歷程,傳神刺激,值得一讀!——陳良基 科技部部長

台灣團隊胼手胝足,克服高山與極地的惡劣環境,把一件件台灣設計、製造的精密裝備組合完成,並在太平洋、南美及北極精準運作。感謝每一位參與計畫的中研院專家及中科院同仁,你們一直都是最棒的團隊。——杲中興 中山科學院院長

從風光明媚的夏威夷,到世界盡頭天寒地凍的北極圈,陳博士科學探險之路跌宕起伏,扣人心弦,而今他能在公餘之暇將這些精采過程寫成《黑洞捕手》一書,對喜愛天文醉心宇宙的讀者而言,確是一大福音!——孫維新 國立自然科學博物館館長

第一張黑洞照片是科學的重大突破,而中研院天文所是我們的關鍵夥伴。台灣為了讓陣列看得更遠,展開英勇旅程,把望遠鏡送到格陵蘭。我很高興陳明堂說出台灣的努力,希望這些精采故事能鼓舞新世代起身仿效。——海諾法爾克(Heino Falcke) 事件視界望遠鏡科學理事會主席

陳明堂生動描述這起科學冒險,讓眾人知道台灣團隊在這項計畫中有多麼重要。跟這些優秀夥伴們合作是我的榮幸,我希望他們順利完成格陵蘭望遠鏡,帶人類看得更遠、更清晰。

——謝普多爾曼(Sheperd S. Doeleman) 事件視界望遠鏡創始總監

內文選讀——第11章〈最後衝刺〉

冬天過後,我們再次回到圖勒空軍基地已是2017年4月初,飛越過冰封的港口,抵達白雪覆蓋著的圖勒機場。圖勒是個乾燥的地方,年降雪量其實不多,地上的雪絕大部分是風從冰原上吹過來的。

圖勒的風速世界知名。1972年3月,在基地周邊曾量測到每小時333公里的風速,除了龍捲風之外,這是低海拔地區最高的風速紀錄。這項紀錄是在風速計被吹掉之前,儀器所記錄的最後數字。如果風速計沒有壞的話,紀錄一定會更高。這種格陵蘭特有的現象,叫做「katabatic winds」,也就是「下沉風」。

有次秋天,我就是因為碰到強風,被關在基地宿舍一整天,狀況比台灣的颱風天更為嚴重,吹的不是雨而是大雪,而且氣溫低於零下三十度。

剪不斷、理還亂

冬季的強風並沒有吹垮望遠鏡的主體和我們的貨櫃屋,工地除了披上一層白雪外,一切都跟我們離開的時候一樣。現在雖然每日幾乎都是白天,但我們還沒打算開始戶外的工作,畢竟氣溫還是太冷。廠棚經過一個冬天,溫度維持在攝氏零下二十度左右,剛好適合我們組裝碟面反射板,這也是今年圖勒開工的第一項工作。

這264塊精密加工過的鋁質反射板,是阿爾瑪原型機使用的原始部件,每塊都依照在主碟面上的位置加工,當264塊面板依序組合,會形成直徑12公尺的拋物面鏡。

剛組成的拋物面鏡不會太平順,必須經過特殊的調校後,才會趨近完美。面板跟面板相接的隙縫,對於接受訊號會產生少許的影響。由於電波訊號的波長比可見光長了許多,因此我們可以忽略這些影響。

我們先前已經在每塊反射板的後面加上一片加熱片,現在的工作是將防結冰的反射板裝上主鏡結構體,最瑣碎的是整理那兩百多組連結加熱片的電線。由於這些電線會暴露在環境溫度下,所以必須使用特別耐低溫的材料,不僅比一般的材料昂貴,還特別的硬挺。要將它們彎曲、固定位置,按照預計的路徑,穿過主鏡結構體裡面錯綜複雜的空間,處理起來特別的麻煩。

惡風驚魂

反射板的組裝工作持續了三週,結束後飛利浦帶來一位法國測量師,專門量測與校正反射板的位置。他用一台雷射測距經緯儀量測每一塊反射板,然後非常細膩的調校,足足耗時一個月。

接下來就是今年的重頭戲:結合望遠鏡,我們要把調校好的主碟面安置在望遠鏡主體上面。但放置主碟面之前,必須先安裝兩側的保溫機房和它們的支撐結構,不然偌大的主碟面會阻礙機房的吊掛作業。

2017年7月初,在台灣設計與製造的兩個保溫防寒工作機房,還有一套全新的機房支撐結構,隨圖勒運補船來到基地,將在圖勒和望遠鏡主體整合。我們先安裝支撐結構,有了之前在台中「祕密廠房」的演練,現場作業相當順利。

工作機房有幾十公噸重,在結合時必須使用大型的吊車,不但要有細心的吊車操作人員,現場還需要有經驗的整合工程師。而在召集這些人員之前,必須確保物件之間的鎖定結構吻合一致。雖然我們已經再三驗證工程設計,但本次是這些物件的首次整合,在真正鎖定之前,每個工程師都還是滿緊張的。

圖勒空軍基地裡只有一台吊車,在夏天這個戶外工作的旺季裡,基地中有時會出現幾個工程同時需要吊車支援的情形,那時就需要提姆去跟丹麥人「喬」時段,結果我們被安排在星期四,我們特地查了一下天氣預報,那天的天氣不錯,沒有強風預報。

星期四一大早,天氣還算晴朗,但是看著旗桿上的美國國旗不時隨風飄動,總讓我們幾個人覺得心裡毛毛的。一等到吊車出現,我們立即開始吊掛工作機房,不料組裝作業進行到一半的時候,突然從冰原方向刮來一陣惡風。頓時塵土飛揚,把我們的鐵梯鎖鏈、釘錘棧板吹得東倒西歪。有幾個同仁還得跑去撿回一路往機場跑道滾過去的垃圾雜物,避免飛機起降發生危險。

提姆趕過來通知大家,無線電傳來強風警報,接下來會有更強的風,要我們先行避難,我們的安裝作業因此停頓了幾個小時。幸運的是,這陣惡風並沒有延續太久。等風一停,我們回到現場,有驚無險的完成安裝工作,讓人鬆了一口氣。

望遠鏡組裝完成

7月24號星期一,節氣剛剛進入大暑,是一年中最熱的時刻,圖勒早晨的溫度是攝氏四度。天氣晴朗無風,這是個好預兆。

我們先把主碟面從廠棚拖出,這時一台墨綠色的大吊車已在外頭準備。為了這個場合,喬治和劉慶堂一同設計、製造了一組十字型的黃色大吊具,它不僅能分散主碟面的重量,而且能讓主碟面能夠保持水平。

利用這組吊具,吊車將主碟面移放到一台低平板的紅色卡車,再由卡車以步行的速度,開過圖勒機場跑道,抵達望遠鏡工地現場。

這個時候,墨綠大吊車已經移動到現場待命。等一切準備妥當,喬治站在一台升降機上指揮全局,只見吊車先拉起黃色十字吊具,搭上主碟面,緩緩的將主碟面拉上天際。我們幾個在地面上的工作人員,拉著幾條綁在主碟面上的纜繩,幫忙穩定主碟面在半空中的位置,再配合吊車的動作,緩慢而穩定的將主碟面移到望遠鏡主體的正上方。飛利浦、劉慶堂帶著幾個人,分別在接收機機房的裡面與外側,以目視方式判斷主碟面是否到達安裝位置。

早上剛過十點,空氣穩定,幾乎感覺不到任何氣流;氣氛緊張,大夥兒幾近停止呼吸。當一切細節達到定位,「三、二、一、下!」主碟面穩穩的連接望遠鏡上端的定位鞘,周圍的工作人員馬上鎖定連結碟面的介面,彷彿完成了一場太空梭搭接上太空站的過程。

當晚,我們邀集了所有的工作人員,還有幫忙過我們的丹麥人、基地軍官、德國廠商,一同在宿舍開披薩慶功宴。

這一天確實值得慶祝,因為我們設置了北極圈內的第一座次毫米波望遠鏡。格陵蘭望遠鏡自2012年,從新墨西哥乾燥炎熱的沙漠環境,拆解運送至全世界各地加工、改造、整理,歷時五年,由原本的阿爾瑪望遠鏡原型機,改頭換面成為適應北極氣候的格陵蘭望遠鏡,第一次重新組裝呈現在世人面前。這件原本被認為接近狂妄、做夢式的提案,終於變成一件看得見、摸得到的實物。

作者介紹

陳明堂 中央研究院天文及天文物理研究所研究員,兼天文所夏威夷運轉副所長。

中研院黑洞團隊發起人之一。2010年,中研院黑洞團隊開啟格陵蘭望遠鏡計畫,正式加入以拍攝黑洞為目標的事件視界望遠鏡(EHT)國際團隊。2019年,因事件視界望遠鏡成功獲取史上首張黑洞影像,榮獲有「科學界奧斯卡獎」之稱的「基礎物理突破獎」,與其他成員共享300萬美元獎金。

成功大學物理系畢業,伊利諾大學香檳校區物理博士,從1995年在中研院天文所任職至今。在中研院期間,建立史密松-中研院次毫米波陣列;設計並建造亞洲第一座宇宙背景輻射陣列(李遠哲陣列);擔任智利阿爾瑪陣列台灣部分的總工程師;負責格陵蘭望遠鏡計畫,建造出北極唯一的天文觀測站,讓全球連線的黑洞影像觀測看得更遠、更清晰。歷經台灣主要天文望遠鏡的建造計劃,是開創台灣天文科學參與國際前沿望遠鏡的研究發展、設計與建造的先驅。

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