臺(tái)灣天文學(xué)及天體物理學(xué)研究現(xiàn)狀（上）

劉雨++蔡金剛

主要觀測(cè)及研究機(jī)構(gòu)

天文學(xué)及天體物理學(xué)研究分為實(shí)際天文觀測(cè)與理論分析探討兩大類。由于臺(tái)灣島內(nèi)缺少獨(dú)立建造大型天文望遠(yuǎn)鏡的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)能力，以及當(dāng)?shù)貚u嶼環(huán)境導(dǎo)致溫濕潮熱多云的的地理氣候條件不適宜開展天文觀測(cè)，因此除在嘉義鹿林山上建有4座口徑僅50厘米的小型天文望遠(yuǎn)鏡和一具1米口徑的中型天文望遠(yuǎn)鏡外，其余觀測(cè)設(shè)備都是通過在外國(guó)與其他天文臺(tái)或天文國(guó)際組織合作建造的方式來取得，包括位于美國(guó)夏威夷冒納基山的次毫米波陣列射電望遠(yuǎn)鏡和宇宙微波背景輻射陣列射電望遠(yuǎn)鏡，以及位于格陵蘭的12米射電望遠(yuǎn)鏡和目前正在建造中的位于智利阿塔卡瑪沙漠的大型毫米波及次毫米波陣列射電望遠(yuǎn)鏡，臺(tái)灣都只是眾多參與者之一，僅擁有這些天文觀測(cè)設(shè)施的部分使用權(quán)力。

鹿林天文臺(tái)位于嘉義縣阿里山鄉(xiāng)及南投縣信義鄉(xiāng)交界處，地處玉山公園之內(nèi)，海拔2，862米，位于逆溫層之上，光害和塵害較小。由于緯度低，接近赤道，可以觀測(cè)到較寬廣的范圍，包括日本、韓國(guó)等國(guó)家觀測(cè)不到的南半球天體。尤其是沿著夏威夷的大天文臺(tái)，向西到臺(tái)灣，中間沒有任何觀測(cè)站，因此鹿林天文臺(tái)成為國(guó)際上重要的觀測(cè)點(diǎn)之一。

該天文臺(tái)由臺(tái)灣“中央”大學(xué)在1999年設(shè)立，目前由該校天文研究所管理。從2003年迄今，研究人員發(fā)表了約80余篇被SCI收錄的科學(xué)論文，發(fā)現(xiàn)小行星數(shù)量近400顆，其中有7顆取得正式編號(hào)，擁有命名權(quán)，當(dāng)中已命名的三顆小行星分別叫“鹿林”、“中大”和“嘉義”，且在2007年首次由島內(nèi)的望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)第一顆彗星“鹿林彗星”，創(chuàng)造臺(tái)灣首度發(fā)現(xiàn)彗星的紀(jì)錄。近年臺(tái)灣鹿林天文臺(tái)還與大陸中科院紫金山天文臺(tái)開展合作交流，雙方研究人員輪流在對(duì)方天文臺(tái)從事觀測(cè)研究。

臺(tái)灣“中央”大學(xué)天文研究所是臺(tái)灣最早成立的天文研究與教學(xué)單位，有工作人員約20人，現(xiàn)任所長(zhǎng)黃崇源。該所天文教育與研究工作并重，并與美、德、英等國(guó)家的研究機(jī)構(gòu)共同參與泛星計(jì)劃，受到國(guó)際天文學(xué)界矚目。目前該所正在籌劃建造新的2米天文望遠(yuǎn)鏡，作為該?！鞍l(fā)展國(guó)際一流大學(xué)及頂尖研究中心計(jì)劃”的重點(diǎn)項(xiàng)目，建成后將成東亞最大的天文光學(xué)望遠(yuǎn)鏡之一。

除“中央”大學(xué)外，臺(tái)灣大學(xué)、新竹清華大學(xué)、新竹交通大學(xué)、成功大學(xué)等高校也在開展有關(guān)天文及天體物理學(xué)方面的教學(xué)及研究，但主要側(cè)重基礎(chǔ)理論方面。

島內(nèi)最主要的天文研究機(jī)構(gòu)無(wú)疑要數(shù)臺(tái)灣中研院天文及天文物理研究所（簡(jiǎn)稱中研院天文所）。該所自1993年開始籌建，直到2010年6月才正式宣告成立，所址位于臺(tái)灣大學(xué)校區(qū)內(nèi)（天文數(shù)學(xué)館大樓內(nèi)），另在美國(guó)夏威夷設(shè)有辦事處。首任所長(zhǎng)為賀曾樸，現(xiàn)有31位研究人員，包括特聘研究員4人，研究員5人，副研究員11人，助研究員11人，每年還有100多名訪問學(xué)者、博士后研究人員和海外科學(xué)家來所內(nèi)從事合作研究，主要研究方向包括河外天文學(xué)、恒星形成、星際與拱星介質(zhì)（也稱原行星盤）、天文塵粒物理、高能天文物理、理論及觀測(cè)宇宙學(xué)、太陽(yáng)系及系外行星系統(tǒng)、天文儀器安裝與測(cè)試等，每年均發(fā)表論文200余篇。

2004年，該所設(shè)立高等理論天文物理研究中心，最初位于新竹市清華大學(xué)校園內(nèi)，2013年遷至臺(tái)灣大學(xué)，目的是將天文物理研究與教學(xué)相結(jié)合，將研究成果整合融入島內(nèi)大學(xué)生及研究生的教育課程之中，培養(yǎng)下一代天文學(xué)家。自成立以來，該中心積極開展有關(guān)宇宙中恒星、行星、致密天體、星系等起源與演化問題的研究，包括流體動(dòng)力學(xué)、磁流體動(dòng)力學(xué)、天文化學(xué)、輻射轉(zhuǎn)移等數(shù)值模擬，每年均舉辦一期冬季/夏季短期課程、2到4次學(xué)術(shù)研討會(huì)或各種規(guī)模的主題式課程，同時(shí)積極邀約外國(guó)訪問學(xué)者造訪該所，舉辦學(xué)術(shù)研討會(huì)與短期培訓(xùn)課程。

重點(diǎn)發(fā)展射電天文學(xué)

在天文及天體物理領(lǐng)域，臺(tái)灣自上世紀(jì)90年代開始，集中發(fā)展射電天文學(xué)及研發(fā)可見光與紅外線天文觀測(cè)儀器，努力打造一個(gè)射電天文儀器專業(yè)團(tuán)隊(duì)，參加外國(guó)的一些天文觀測(cè)計(jì)劃，目前取得的研究成果包括：利用各種射電觀測(cè)數(shù)據(jù)繪制出超巨星獵戶的圖像；利用毫米波陣列研究恒星形成的各個(gè)階段，包括形成前的分子云狀態(tài)、無(wú)星體致密核的早期塌縮階段、中心密度極高的原恒星及大質(zhì)量恒星的形成；探索無(wú)星體致密核，發(fā)現(xiàn)無(wú)星體高密度氣體云圖像與正在塌縮的含原恒星氣體凝聚物類似，但大小比正在塌縮的含原恒星氣體凝聚物大數(shù)十倍；利用日本野邊山毫米波陣列對(duì)鄰近恒星形成區(qū)域的原恒星殼層進(jìn)行觀測(cè)，取得位于金牛座及蛇夫星座17個(gè)原恒星的高解析度資料，并發(fā)現(xiàn)其中11個(gè)星源中有塌縮運(yùn)動(dòng)；利用美國(guó)加州伯克利-伊利諾-馬里蘭三校聯(lián)盟毫米望遠(yuǎn)鏡BIMA陣列，觀測(cè)原恒星系統(tǒng)NGC1333IRAS4，藉氫氰酸譜線追蹤分子噴流，發(fā)現(xiàn)在1個(gè)以上完整的循環(huán)后，噴流呈現(xiàn)周期性扭動(dòng)型態(tài)；通過探測(cè)新恒星離子化氣體發(fā)出的毫米波發(fā)射線，研究處于生命階段早期的高質(zhì)量恒星─超致密HⅡ區(qū)，以辨認(rèn)年輕的高質(zhì)量恒星形成區(qū)；觀測(cè)大麥哲倫星系內(nèi)的N113及小麥哲倫星系內(nèi)的LIRS36分子云；進(jìn)行共振激發(fā)機(jī)制在星系盤中作用、星系核心盤、碟形系統(tǒng)的粒子動(dòng)力學(xué)、星系電磁場(chǎng)、星系盤扭曲及星系中央氣體盤補(bǔ)充問題研究等。

1996年，當(dāng)時(shí)尚處于籌建中的臺(tái)灣中研院天文所加入美國(guó)史密森天文臺(tái)的次毫米波陣列（SMA）計(jì)劃，在4000米高的夏威夷冒納基（（Mauna Kea）山上建造8座6米射電天線，其中兩座由臺(tái)灣出資建造。該設(shè)施是全世界第一個(gè)次毫米波干涉陣列射電天文望遠(yuǎn)鏡，于2003年11月建成啟用，有4個(gè)觀測(cè)波段，其基線可到達(dá)509米，具備各種光譜儀器，特別適合觀測(cè)冷星際物質(zhì)，可分析緊臨年輕或老年恒星的低溫云氣、形成恒星或行星的吸積盤，以及外星系中的恒星劇增區(qū)。自啟用以來，臺(tái)灣科學(xué)家已先后發(fā)表關(guān)于探測(cè)冥王星的衛(wèi)星卡戎、分析恒星周圍噴流、勘測(cè)恒星形成區(qū)域的磁場(chǎng)、研究鄰近星系的星系核，以及探測(cè)僅見于次毫米波段觀測(cè)的極高紅移星系等方面的論文。

2000年，臺(tái)灣中研院天文所與臺(tái)灣大學(xué)物理系及電機(jī)系合作，執(zhí)行“宇宙學(xué)與粒子天文物理學(xué)研究”計(jì)劃，由臺(tái)灣中研院與教育和科技主管部門共同資助，在夏威夷冒納洛峰（MaunaLoa）3，400米處建造宇宙微波背景輻射陣列射電望遠(yuǎn)鏡（英文簡(jiǎn)稱AMiBA，也稱“李遠(yuǎn)哲宇宙背景輻射陣列”，見圖5），參加該計(jì)劃的還有澳大利亞國(guó)家天文臺(tái)以及其他外國(guó)大學(xué)。

這是第一座由臺(tái)灣主導(dǎo)、參與設(shè)計(jì)并興建的世界級(jí)天文觀測(cè)設(shè)施，由7個(gè)口徑0.6米的反射鏡組成，其建造工程包括設(shè)計(jì)制造及測(cè)試經(jīng)完全整合的單晶微波調(diào)諧混頻器、各種W頻段的低噪音放大器及具有17GHz頻寬的砷化鎵放大器、混波訊號(hào)源組及中頻訊號(hào)處理器，以及新型的六腳追蹤架、6米碳纖平臺(tái)、碳纖反射鏡、可開合的外罩等。臺(tái)灣磁震公司及中山科學(xué)院航空研究所等也參與了興建工程。

2006年10月，該觀測(cè)設(shè)備建成并正式啟用，利用電波望遠(yuǎn)鏡中的干涉儀技術(shù)，測(cè)量宇宙微波背景輻射在95GHz的SZ（Sunyaev-Zeldovich）效應(yīng)和極化。藉以探測(cè)宇宙大爆炸后殘余微波背景輻射（CMB）的分布，研究早期宇宙的結(jié)構(gòu)，如一般物質(zhì)、暗物質(zhì)、與暗能量等的相對(duì)比例，也能藉由CMB光子的逆康普頓散射，探測(cè)并描繪遙遠(yuǎn)的星系團(tuán)。2007年至2008年間，該設(shè)施成功探測(cè)并描繪6個(gè)遙遠(yuǎn)的星系團(tuán)，并發(fā)現(xiàn)所偵測(cè)到的輻射轉(zhuǎn)弱特征與預(yù)測(cè)中星系團(tuán)內(nèi)暗物質(zhì)的分布情形相符。

2009年，該設(shè)施完成從7座0.6米鏡面升級(jí)為13座1.2米鏡面的升級(jí)擴(kuò)建工程，使其觀測(cè)靈敏度改善了約60倍。目前已完成8個(gè)遙遠(yuǎn)高紅移星系團(tuán)的初步觀測(cè)，顯示其具有在波長(zhǎng)3毫米處輻射較弱的特征，且與星系的距離無(wú)關(guān)。

為支持AMiBA探測(cè)到的高紅移星系團(tuán)的后續(xù)觀測(cè)，臺(tái)灣科學(xué)家參與加拿大-法國(guó)-夏威夷望遠(yuǎn)鏡（CFHT）上的廣角紅外相機(jī)（WIRCam）的研發(fā)建造計(jì)劃。該部相機(jī)有4組2048×2048像素窄禁帶半導(dǎo)體碲鎘汞探測(cè)器陣列，達(dá)到20×20角分的大廣角視野，可以進(jìn)行大尺度的近紅外光成像普查，研究恒星形成、星系結(jié)構(gòu)與演化、宇宙大尺度結(jié)構(gòu)等。臺(tái)灣參了與相機(jī)設(shè)計(jì)的各個(gè)階段，著重于探測(cè)器的讀出電子裝置、探測(cè)器的測(cè)試、控制軟件以及分析用的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，臺(tái)灣中華電信研究所及玉晶光電公司共同進(jìn)行低溫下感光元件的特性測(cè)試。

參加廣角紅外線相機(jī)研制計(jì)劃，為臺(tái)灣天文學(xué)家提供了許多使用加-法-夏3.6米望遠(yuǎn)鏡的機(jī)會(huì)，也是臺(tái)灣首次獲得世界級(jí)大型天文光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的使用權(quán)。自2005年底成功地將廣角紅外線相機(jī)運(yùn)送至加-法-夏望遠(yuǎn)鏡之后，臺(tái)灣科學(xué)家繼續(xù)與CFHT機(jī)構(gòu)合作研制下一代先進(jìn)自適應(yīng)光學(xué)儀器。此設(shè)備可補(bǔ)償大氣的模糊效應(yīng)，為望遠(yuǎn)鏡提供更銳利的圖像。臺(tái)灣方面負(fù)責(zé)研發(fā)新的CCD（電荷耦合元件）波前感應(yīng)器。目前，臺(tái)灣科學(xué)家正繼續(xù)與加-法-夏望遠(yuǎn)鏡機(jī)構(gòu)合作研制下一代儀器——極化光譜儀（SPIROU），由臺(tái)灣方面負(fù)責(zé)研發(fā)新的圖像穩(wěn)定控制系統(tǒng)與導(dǎo)星相機(jī)系統(tǒng)，并合作研發(fā)科學(xué)相機(jī)，2015年開始啟用。

天文觀測(cè)成果

在可見光觀測(cè)方面，2002年臺(tái)灣中研院天文所、“中央”大學(xué)天文所與美國(guó)哈佛史密森天文物理中心及韓國(guó)延世大學(xué)合作開展“掩星觀測(cè)計(jì)劃”（TAOS），在鹿林天文臺(tái)使用4具口徑0.5米的小型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，配有2048×2048像素的CCD相機(jī)，每晚在其3平方度的廣角視野內(nèi)，以每秒5次（2013年起改為每秒10次）的頻率監(jiān)測(cè)約1，000顆恒星，自動(dòng)搜尋柯伊伯帶（臺(tái)灣稱古柏帶）天體對(duì)遠(yuǎn)處背景恒星造成的掩星現(xiàn)象。全部4臺(tái)望遠(yuǎn)鏡在2006年底全面建成并運(yùn)行，迄今已獲得上億個(gè)光度測(cè)定數(shù)據(jù)，測(cè)量了柯伊伯帶、黃道離散天體及奧爾特云天體尺寸的分布。7年多的觀測(cè)結(jié)果對(duì)太陽(yáng)系中直徑大于700米的柯伊伯帶天體數(shù)量設(shè)下了非常嚴(yán)格的上限，這與行星如何藉這些物體碰撞而形成的理論有很重要的關(guān)聯(lián)。

受限于這些小型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的性能、鹿林山不佳的天候及大氣環(huán)境，因此臺(tái)灣中研院天文所決定進(jìn)行掩星觀測(cè)的后續(xù)計(jì)劃——“海王星外自動(dòng)掩星普查計(jì)劃”（TAOS-Ⅱ）不再在島內(nèi)進(jìn)行，而是選定隸屬于墨西哥國(guó)家天文臺(tái)、海拔2，800米的圣多白祿天文臺(tái)作為新的臺(tái)址，目前正在興建3個(gè)口徑1.3米的新型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，加上速度更快的相機(jī)，可以觀測(cè)到更多的掩星事件，比前一代在探測(cè)速率強(qiáng)100倍，能夠?qū)⑻?yáng)系可觀測(cè)的極限從100天文單位范圍推展至1，000天文單位范圍，以估計(jì)不同大小的海王星外天體的密度，這將有助于揭開太陽(yáng)系如何形成之謎。

此外，自2008年起，臺(tái)灣中研院天文所與日本國(guó)家天文臺(tái)合作，負(fù)責(zé)為其設(shè)在夏威夷冒納基山的口徑8.2米的斯巴魯（Subaru，也稱昴宿星團(tuán)）大型天文光學(xué)望遠(yuǎn)鏡研制新一代高靈敏度超廣角可見光相機(jī)（HSC）。它是當(dāng)時(shí)世界上最大的可見光數(shù)碼相機(jī)，總共有116片800萬(wàn)像素的CCD元件緊密排列，可涵蓋1.5度的視野。2012年8月完成安裝后，比原有廣角相機(jī)的視野提高了7倍，可提供全球最高的整體觀測(cè)效率。其主要科學(xué)目標(biāo)是對(duì)大范圍天區(qū)進(jìn)行弱引力透鏡研究，5年內(nèi)觀測(cè)約2，000平方度，捕捉來自遙遠(yuǎn)宇宙微弱天體信號(hào)，探測(cè)大天區(qū)星系團(tuán)質(zhì)量的整體分布（含一般物質(zhì)與暗物質(zhì)），檢驗(yàn)出宇宙的切變，藉以探討暗能量、暗物質(zhì)、宇宙加速膨脹等近代重大天文問題。憑藉參與該計(jì)劃，臺(tái)灣獲得了大規(guī)模巡天普查資料及斯巴魯其他儀器的使用權(quán)。

最近，臺(tái)灣中研院天文所與日本國(guó)立天文臺(tái)簽署合作備忘錄，雙方同意就該望遠(yuǎn)鏡的下一步升級(jí)與開發(fā)繼續(xù)合作，共同研制包括主焦點(diǎn)光譜儀（PFS）在內(nèi)的多種先進(jìn)可見光及紅外天文儀器，其中臺(tái)灣方面將負(fù)責(zé)研發(fā)主焦點(diǎn)光譜儀中兩項(xiàng)關(guān)鍵機(jī)械元件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及整合。