〈研之有物〉在夏威夷山頂窺見古老的星系──王為豪專訪
為什麼要研究「遙遠星系」？
天文學家在黑夜裡觀測，搶在天未明之前，透過望遠鏡取得他們所需的資料。中研院天文所王為豪副研究員，利用遠紅外光及次毫米波觀測遙遠星系，揭開宇宙演化的奧妙。而美麗的天文影像，能夠傳達給大家許多科學的想法。
山頂上的黑夜──越來越少有的觀測生活
海拔 3000 公尺的中繼站，那邊有給天文學家吃飯、晚上睡覺休息的地方。喔，不是晚上，是白天睡覺休息，因為晚上要觀測。
王為豪娓娓道來，他們去夏威夷觀測，要先飛到檀香山，再飛到大島。天文台都在大島上，海拔 4200 公尺的毛納基 (Mauna Kea) 山頂。為了安全，必須先在海拔 3000 公尺的中繼站停留一天。隔天下午四點吃晚餐，五點就跟天文台的工作人員，開車上山頂觀測，直到隔天早上六、七點天亮，再開車下來吃早餐。
不同波長的觀測，作息其實不太一樣，這是因為不同波長的「天亮」時間不同。可見光的天空之所以會亮，是因為大氣散射陽光；近紅外光的天空之所以會亮，是因為高層大氣的原子被陽光激發而放出輻射。因此，近紅外光可以多觀測半個小時。至於次毫米波的天空，並不受太陽影響，但還是會避免在白天觀測，避免望遠鏡的元件受熱變形。話鋒一轉，王為豪說，「這是老人觀測了啦！」
現在天文學家做觀測，很少實際飛到某個地方觀測，大部分都是遠距進行，直接在山下的辦公室裡控制山上的望遠鏡，甚至在台灣就能控制夏威夷的望遠鏡。
現在只剩下少數天文台，會要求申請到觀測時間的天文學家到現場。主要的原因，並不是需要你去做觀測，而是因為山頂的環境非常危險，所以天文台都有個規定──任何時刻，天文台裡面至少要有兩個人。但是天文台經費可能有限，只能安排一位觀測員，於是天文學家就需要有人上山。
那些「陪觀測員」的時間，天文學家都在做什麼呢？王為豪說，可以在觀測員旁邊不斷問問題，學著操作。而他現在去天文台，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，因為氧氣含量太低，「就算我真的要想辦法寫論文，下山一看，可能會覺得：這是什麼東西啊！」
另一種情況，是天文台剛蓋好的時候，人們對於它的脾氣不熟悉，常有突發狀況，因而要求天文學家來到現場。例如日本的昴星團 (Subaru) 望遠鏡，當年剛蓋好的時候，所有人都要親自飛到山頂觀測，但是現在不需要了。
現在大多數望遠鏡，都是由遠距操控，或者是另外一種模式──根本不用去控制望遠鏡，只要在所謂的「腳本 (script) 」上寫你要做什麼，把它寄給天文台，天文台就會在合適的時間幫你執行，再把資料寄給你。例如現在最好的次毫米波望遠鏡「阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列 (ALMA) 」就是如此，人們不必到智利觀測。
中研院參與建造：世界最強大的電波望遠鏡
談到 ALMA ，王為豪說，比起前一代的「次毫米波陣列 (SMA) 」， ALMA 的靈敏度高出好幾個數量級。之所以有這麼大的差異，主要是因為望遠鏡大了很多，再來是來自接收機的技術進步。
在無線電波裡面，高頻率的接收機特別難做，例如微波通訊是近二十年才發達的技術。次毫米波又比微波更高頻，近二、三十年才有較好的儀器。另一方面，次毫米波很容易被水分子吸收，而最近人們在智利找到了比夏威夷更乾燥的地點。這兩個因素使得 ALMA 可以接收到比較暗的訊號，也可提高觀測的解析力。
過去你要花一百個晚上才能完成的觀測，用 ALMA 不用一個晚上就能完成。所以我們辛辛苦苦用夏威夷的次毫米陣列做七、八年的研究， ALMA 只要一個禮拜就能從頭到尾幫你做完一次，這是過去完全不能想像的。
中研院參與了 SMA 和 ALMA 的建造和營運，並以此取得重要的科學成就。王為豪利用這兩台望遠鏡，研究「次毫米波星系」。
什麼是次毫米波星系呢？我們的銀河系，大部分的輻射來自可見光，因為銀河系最重要的組成份子是恆星，恆星放出來的輻射主要是可見光，就像我們的太陽一樣。不過，在一些遙遠的星系裡面，灰塵非常多。灰塵的大小約 0.1 微米到幾微米，善於吸收可見光和紫外光，再放出遠紅外光。
灰塵多的星系中，灰塵把恆星的光幾乎都吸收掉，使得絕大部分的輻射在遠紅外光，用可見光觀察反而覺得它不亮。這種星系，就稱為「亮紅外星系」。但宇宙膨脹導致波長增加（紅移），灰塵放出的遠紅外光會移到毫米或次毫米波，也就成為「次毫米波星系」了。也就是說，「亮紅外星系」與「次毫米波星系」是同一回事，指的都是這種灰塵很多的星系。
「亮紅外星系」描述的是星系的本質，說明它放出很多遠紅外光；「次毫米波星系」描述的是我們是在次毫米波觀測到它。
遙遠的「次毫米波星系」告訴我們什麼？
宇宙中這麼多星系為什麼會變成現在這個樣子？我們不能只研究它們現在的樣子，也要研究它們過去的樣子。
王為豪說，宇宙的年齡和星系的生命期，比星系中個別的物理過程還要長。研究星系現在的狀態，我們能夠回溯的時間很短，難以推知是什麼原因導致它現在長成這樣。打個比方，研究動物排出的大便，我們可以知道牠最近兩三天吃了什麼，但無法知道牠兩年前吃了什麼。那如何看到從前的星系？
「宇宙本身就是一個大的時光機」王為豪說，因為光傳遞需要時間。我們看很遠很遠的東西，表示看到的是宇宙很久以前的狀態。那就是我們為什麼要研究遙遠的星系。
宇宙早期的星系與現在的星系，成長模式非常不同。一開始宇宙中只有「氫」和「氦」，這些氣體聚集形成恆星、星系。從宇宙早期到現在，氣體的含量是越早期越高，現在則較少。因為星系形成需要氣體，所以宇宙早期星系成長比較快。
此外，最早期的宇宙沒有恆星、沒有星系，也沒有黑洞放出很強烈的輻射，所以那時候的氣體都是中性，也就是電子和質子在一起。等到有了恆星，有了大質量黑洞放出很強的紫外線，紫外線就會讓氫氣游離。被游離的氣體溫度很高，很難透過重力壓縮，也就很難形成新的恆星。以上因素彼此相互影響，導致早期宇宙的星系形成與成長模式，與現在相當不同。
次毫米波星系出現在較早期的宇宙，主要原因就是早期宇宙的氣體比較多。氣體裡面的「氧」、「碳」、「矽」這些比較重的元素，會凝聚成灰塵。因此，早期宇宙容易出現灰塵多的星系。氣體以及它夾帶的灰塵，可能因為某些物理作用被壓縮，譬如說形成年輕的恆星，或者掉到星系的重力位能井中，使得它們分布範圍很小、密度很高，於是對星光的吸收能力就非常強。這時，就有辦法把星系裡絕大部分的星光吸收掉，並放出遠紅外光。
還有另一個有趣的現象：亮紅外星系、次毫米波星系中央的大質量黑洞，通常也比較活躍。一個星系的紅外線輻射變很強，通常是有很多氣體，有很多恆星形成。觀測結果告訴我們，這種星系裡的黑洞，經常也是快速成長的。王為豪說明，這兩件事情好像是連在一起的，但是現在還不清楚其中的因果關係。一般而言，星系越大，裡面的超大質量黑洞也越大，所以星系與星系中黑洞的形成，可能透過某個物理過程連在一起。
美麗的天文圖可以傳達科學的想法
問到為何投入天文研究，王為豪表示，從小就對天文有興趣，但不是早早立志踏入專業天文研究。高中參加了天文社，看了一些天文書籍，發覺能夠言之有物的書，裡面都是物理，於是決定大學讀物理。
不過，即使讀了物理系，他也沒有一定要念天文。到了大三，修了袁旂老師的天文物理導論，才開始了解天文與物理如何結合，於是決定念天文所碩士班試試看。碩班念完發現自己還是有興趣，就念天文所博士班試試看。一步一步試試看，才一直走下去。
就覺得試試看、做做看，做得不錯再走一步，是這樣子才最後一直走下去的。
王為豪不僅在專業天文有所成就，亦是業餘天文攝影的翹楚，讓人好奇兩者之間有何有趣的聯繫。王為豪表示，雖然同時身為業餘天文學家跟專業天文學家，但他把這兩塊切得很乾淨，很少有交集。而另一方面，王為豪總是樂意將攝影作品提供給天文所使用，作為教育用途。更有意思的是，他著作的天文攝影書籍很特別，「講攝影的書竟然沒放多少照片，裡面都是方程式。」背後的目的，其實是把科學的想法帶進攝影當中。
我是用這種方式在教育對天文有興趣的人。就算你是想拍漂亮的照片，你也可以用科學的方法來進行。
王為豪說，雖然自己長年從事天文攝影，但十年前他其實不太鼓勵年輕人從事天文攝影，因為許多天文社團所做的只剩下攝影。不過，現在想法完全相反了，因為現在的天文攝影使用數位相機，這就與專業天文觀測用的 CCD 原理類似。數位相機照片的後製，與真正專業的科學觀測非常接近，所以不管是為了推銷某種科學的想法，或幫助想研究天文的學生接觸真正的天文觀測，攝影都是很好的媒介。
說到天文教育，王為豪說，他真正關注的是國民的科學素養，而不是天文。大家並沒有一定要懂天文，但是天文教育在台灣可以很有用。
增進科學素養有許多方法，但我們知道告訴學生「這個考試要考」並沒有用，必須要讓人打從心裡喜歡。王為豪認為，天文的好處，是它可以很吸引人，有漂亮的照片，可以說出很多故事。雖然現在大部分的人，在大部分的時間都看不到天上的星星，但是大多數人到了山上，如果天氣好，剛好沒有月亮，可以看到天上星星，十個裡面有九個都還是很開心──天文有這種魅力，在科學教育當中何必放棄它呢？
透過天文教育這個包裝得很漂亮的糖衣，真正我希望餵給別人的是科學的想法。當你開始問天上為什麼那麼多星星，或者當你開始問銀河為什麼有兩道中間是黑的，那中間黑的是怎麼一回事，科學已經在裡頭了。
原文連結：在夏威夷山頂窺見古老的星系──王為豪專訪
延伸閱讀：