在夏威夷山顶窥见古老的星系──王为豪专访

不同波长的观测，作息其实不太一样，这是因为不同波长的“天亮”时间不同。可见光的天空之所以会亮，是因为大气散射阳光；近红外光的天空之所以会亮，是因为高层大气的原子被阳光激发而放出辐射。因此，近红外光可以多观测半个小时。至于次毫米波的天空，并不受太阳影响，但还是会避免在白天观测，避免望远镜的元件受热变形。话锋一转，王为豪说，“这是老人观测了啦！”

现在天文学家做观测，很少实际飞到某个地方观测，大部分都是远距进行，直接在山下的办公室里控制山上的望远镜，甚至在台湾就能控制夏威夷的望远镜。

现在只剩下少数天文台，会要求申请到观测时间的天文学家到现场。主要的原因，并不是需要你去做观测，而是因为山顶的环境非常危险，所以天文台都有个规定──任何时刻，天文台里面至少要有两个人。但是天文台经费可能有限，只能安排一位观测员，于是天文学家就需要有人上山。

那些“陪观测员”的时间，天文学家都在做什么呢？王为豪说，可以在观测员旁边不断问问题，学着操作。而他现在去天文台，通常就是做自己的事情，看卡通、拍照。在山上若做研究也不容易，因为氧气含量太低，“就算我真的要想办法写论文，下山一看，可能会觉得：这是什么东西啊！”

另一种情况，是天文台刚盖好的时候，人们对于它的脾气不熟悉，常有突发状况，因而要求天文学家来到现场。例如日本的昴星团 (Subaru) 望远镜，当年刚盖好的时候，所有人都要亲自飞到山顶观测，但是现在不需要了。

现在大多数望远镜，都是由远距操控，或者是另外一种模式──根本不用去控制望远镜，只要在所谓的“脚本 (script) ”上写你要做什么，把它寄给天文台，天文台就会在合适的时间帮你执行，再把资料寄给你。例如现在最好的次毫米波望远镜“阿塔卡玛大型毫米及次毫米波阵列 (ALMA) ”就是如此，人们不必到智利观测。

中研院参与建造：世界最强大的电波望远镜

谈到 ALMA ，王为豪说，比起前一代的“次毫米波阵列 (SMA) ”， ALMA 的灵敏度高出好几个数量级。之所以有这么大的差异，主要是因为望远镜大了很多，再来是来自接收机的技术进步。

在无线电波里面，高频率的接收机特别难做，例如微波通讯是近二十年才发达的技术。次毫米波又比微波更高频，近二、三十年才有较好的仪器。另一方面，次毫米波很容易被水分子吸收，而最近人们在智利找到了比夏威夷更干燥的地点。这两个因素使得 ALMA 可以接收到比较暗的讯号，也可提高观测的解析力。

过去你要花一百个晚上才能完成的观测，用 ALMA 不用一个晚上就能完成。所以我们辛辛苦苦用夏威夷的次毫米阵列做七、八年的研究， ALMA 只要一个礼拜就能从头到尾帮你做完一次，这是过去完全不能想像的。

中研院参与了 SMA 和 ALMA 的建造和营运，并以此取得重要的科学成就。王为豪利用这两台望远镜，研究“次毫米波星系”。

什么是次毫米波星系呢？我们的银河系，大部分的辐射来自可见光，因为银河系最重要的组成分子是恒星，恒星放出来的辐射主要是可见光，就像我们的太阳一样。不过，在一些遥远的星系里面，灰尘非常多。灰尘的大小约 0.1 微米到几微米，善于吸收可见光和紫外光，再放出远红外光。

灰尘多的星系中，灰尘把恒星的光几乎都吸收掉，使得绝大部分的辐射在远红外光，用可见光观察反而觉得它不亮。这种星系，就称为“亮红外星系”。但宇宙膨胀导致波长增加（红移），灰尘放出的远红外光会移到毫米或次毫米波，也就成为“次毫米波星系”了。也就是说，“亮红外星系”与“次毫米波星系”是同一回事，指的都是这种灰尘很多的星系。

“亮红外星系”描述的是星系的本质，说明它放出很多远红外光；“次毫米波星系”描述的是我们是在次毫米波观测到它。

遥远的“次毫米波星系”告诉我们什么

宇宙中这么多星系为什么会变成现在这个样子？我们不能只研究它们现在的样子，也要研究它们过去的样子。

王为豪说，宇宙的年龄和星系的生命期，比星系中个别的物理过程还要长。研究星系现在的状态，我们能够回溯的时间很短，难以推知是什么原因导致它现在长成这样。打个比方，研究动物排出的大便，我们可以知道它最近两三天吃了什么，但无法知道它两年前吃了什么。那如何看到从前的星系？

“宇宙本身就是一个大的时光机”王为豪说，因为光传递需要时间。我们看很远很远的东西，表示看到的是宇宙很久以前的状态。那就是我们为什么要研究遥远的星系。

宇宙早期的星系与现在的星系，成长模式非常不同。一开始宇宙中只有“氢”和“氦”，这些气体聚集形成恒星、星系。从宇宙早期到现在，气体的含量是越早期越高，现在则较少。因为星系形成需要气体，所以宇宙早期星系成长比较快。

此外，最早期的宇宙没有恒星、没有星系，也没有黑洞放出很强烈的辐射，所以那时候的气体都是中性，也就是电子和质子在一起。等到有了恒星，有了大质量黑洞放出很强的紫外线，紫外线就会让氢气游离。被游离的气体温度很高，很难透过重力压缩，也就很难形成新的恒星。以上因素彼此相互影响，导致早期宇宙的星系形成与成长模式，与现在相当不同。

次毫米波星系出现在较早期的宇宙，主要原因就是早期宇宙的气体比较多。气体里面的“氧”、“碳”、“硅”这些比较重的元素，会凝聚成灰尘。因此，早期宇宙容易出现灰尘多的星系。气体以及它夹带的灰尘，可能因为某些物理作用被压缩，譬如说形成年轻的恒星，或者掉到星系的重力位能井中，使得它们分布范围很小、密度很高，于是对星光的吸收能力就非常强。这时，就有办法把星系里绝大部分的星光吸收掉，并放出远红外光。

还有另一个有趣的现象：亮红外星系、次毫米波星系中央的大质量黑洞，通常也比较活跃。一个星系的红外线辐射变很强，通常是有很多气体，有很多恒星形成。观测结果告诉我们，这种星系里的黑洞，经常也是快速成长的。王为豪说明，这两件事情好像是连在一起的，但是现在还不清楚其中的因果关系。一般而言，星系越大，里面的超大质量黑洞也越大，所以星系与星系中黑洞的形成，可能透过某个物理过程连在一起。

美丽的天文图可以传达科学的想法

问到为何投入天文研究，王为豪表示，从小就对天文有兴趣，但不是早早立志踏入专业天文研究。高中参加了天文社，看了一些天文书籍，发觉能够言之有物的书，里面都是物理，于是决定大学读物理。

不过，即使读了物理系，他也没有一定要念天文。到了大三，修了袁旗老师的天文物理导论，才开始了解天文与物理如何结合，于是决定念天文所硕士班试试看。硕班念完发现自己还是有兴趣，就念天文所博士班试试看。一步一步试试看，才一直走下去。

就觉得试试看、做做看，做得不错再走一步，是这样子才最后一直走下去的。

王为豪不仅在专业天文有所成就，亦是业余天文摄影的翘楚，让人好奇两者之间有何有趣的联系。王为豪表示，虽然同时身为业余天文学家跟专业天文学家，但他把这两块切得很干净，很少有交集。而另一方面，王为豪总是乐意将摄影作品提供给天文所使用，作为教育用途。更有意思的是，他著作的天文摄影书籍很特别，“讲摄影的书竟然没放多少照片，里面都是方程式。”背后的目的，其实是把科学的想法带进摄影当中。

我是用这种方式在教育对天文有兴趣的人。就算你是想拍漂亮的照片，你也可以用科学的方法来进行。

王为豪说，虽然自己长年从事天文摄影，但十年前他其实不太鼓励年轻人从事天文摄影，因为许多天文社团所做的只剩下摄影。不过，现在想法完全相反了，因为现在的天文摄影使用数位相机，这就与专业天文观测用的 CCD 原理类似。数位相机照片的后制，与真正专业的科学观测非常接近，所以不管是为了推销某种科学的想法，或帮助想研究天文的学生接触真正的天文观测，摄影都是很好的媒介。

说到天文教育，王为豪说，他真正关注的是国民的科学素养，而不是天文。大家并没有一定要懂天文，但是天文教育在台湾可以很有用。

增进科学素养有许多方法，但我们知道告诉学生“这个考试要考”并没有用，必须要让人打从心里喜欢。王为豪认为，天文的好处，是它可以很吸引人，有漂亮的照片，可以说出很多故事。虽然现在大部分的人，在大部分的时间都看不到天上的星星，但是大多数人到了山上，如果天气好，刚好没有月亮，可以看到天上星星，十个里面有九个都还是很开心──天文有这种魅力，在科学教育当中何必放弃它呢？

透过天文教育这个包装得很漂亮的糖衣，真正我希望喂给别人的是科学的想法。当你开始问天上为什么那么多星星，或者当你开始问银河为什么有两道中间是黑的，那中间黑的是怎么一回事，科学已经在里头了。@──转自中央研究院《 研之有物》（本文限网站刊登）

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责任编辑：李梅