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射電望遠鏡如何呈現出看不到的星系

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    太空,最後的邊境。
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    我 6 歲時第一次聽到這句話,
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    並因此深受啓發。
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    我想要去探索新奇的世界。
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    我要去尋找新的生命。
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    我想要去見識宇宙的一切。
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    這些夢想和話語
    讓我踏上了這個旅程,
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    充滿發現的旅程,
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    經過中學、經過大學,
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    唸博士、最後成為專業天文學家。
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    我學到了兩件很棒的事,
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    第一件稍微有點不幸,
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    當我在唸博士時。
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    我學到現實是,
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    駕駛太空船不是近期可實現的事。
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    但我也學到,宇宙是
    奇異、美妙、浩瀚的,
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    事實上,它太浩瀚了
    太空船也無法探索完。
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    因此我把注意力轉向天文學,
    轉向使用望遠鏡。
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    我現在呈現在你們眼前的
    是夜晚天空的影像。
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    你在世界任何地方都可以看到它。
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    所有這些星星都是
    我們這個銀河系的一部份。
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    如果你到比較暗的一個地方,
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    一個不錯的黑暗之地,
    也許是在沙漠,
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    你也許能看到銀河系的中心,
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    上千億顆星星在你面前展開。
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    這是個非常美的畫面。
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    非常多彩。
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    同樣的,這也只是
    我們這個宇宙的一小角。
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    你可以看到有種奇怪的、類似
    暗色灰塵的東西橫越它。
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    這是此處的塵埃,
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    它遮蔽了星體的亮光。
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    但我們可以看得很清楚。
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    只要用我們的雙眼
    就可探索宇宙中我們所處的小角落。
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    還有可能看得更清楚。
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    你可以使用很好的望遠鏡,
    如哈伯空間望遠鏡。
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    天文學家做出了這張影像。
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    稱為「哈伯深領域」,
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    他們花了幾百小時觀察
    天空的小小一部分,
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    比你伸直手臂時看到的
    指甲蓋的大小差不多。
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    在這張影像中,
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    你可以看到數千個銀河系,
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    我們知道在整個宇宙中
    必定有數億數兆個
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    銀河系存在,
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    有些很像我們的銀河系,
    有些則非常不同。
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    所以你心想,好,我可以繼續這旅程。
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    這很簡單。
    我只要用強大的望遠鏡對準天空,
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    然後只要看著天空,沒問題的。
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    但如果我們真的這樣做,
    其實會錯過很多。
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    那是因為目前我所講的一切,
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    都只用到可見光譜,也就是
    你眼睛可以看到的電磁波範圍,
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    那只是極小的一部分,
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    宇宙一切中極小、極小的一部份。
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    使用可見光,會有兩個重要的問題。
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    我們不只會錯過其他的景象──
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    因為它們發出的是
    其他種類的、不可見的光,
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    還有兩個問題。
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    第一我之前提到的灰塵,
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    灰塵阻擋,讓可見光無法傳到我們這裡。
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    所以當我們看向宇宙更深處,
    我們看到的光就更少。
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    灰塵阻擋讓光無法傳到我們這裡。
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    但當我們試圖使用
    可見的光來探索宇宙時,
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    會有一個非常奇特的問題。
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    現在先休息一下。
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    假設你站在一個角落,繁忙的街角。
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    有車子經過。
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    有一輛救護車接近,
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    它有著高音頻的警笛聲。
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    (模仿警笛經過)
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    警笛朝你而來和遠離你時,
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    音高明顯有所不同。
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    救護車司機並沒有改變警笛來玩弄你。
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    那是你的感知所造成的。
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    當救護車接近時,聲波
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    會被壓縮,
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    它們的音高會變更高。
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    隨著救護車離開,聲波被延展,
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    警笛聲的音高聽起來就比較低。
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    光也有同樣的現象,
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    當物體向我們移動,
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    它們的光波被壓縮,因此顯得比較藍。
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    遠離我們的物體,
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    它們的光波被延展,因此顯得比較紅。
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    我們稱這些效應為藍移和紅移。
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    現在,我們的宇宙正在擴張,
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    所以所有東西都在遠離其他東西,
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    那就意味著所有東西
    看起來都是紅的。
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    奇怪的是,當你看向宇宙更深處,
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    距離越遠的物體,
    也在越快地遠離我們,
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    所以它們看起來變得更紅。
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    如果我回到「哈伯深領域」
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    並且我們持續窺探宇宙深處,
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    僅僅只使用哈伯,
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    當我們到達一定距離之後,
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    每樣東西都變成紅色,
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    那就呈現出了一個問題。
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    最終,地方距離我們如此之遠,
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    一切都轉變成紅外線,
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    我們就完全看不到任何東西。
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    那必須要有解決之道。
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    否則,我的旅程將受到限制。
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    我想要探索整個宇宙,
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    不僅僅是肉眼可見的部份,
    可現在,「紅移」造成了麻煩。
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    有一種技術,
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    叫射電天文學。
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    天文學家已使用這技術數十年了。
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    它是種很棒的技術。
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    我讓你們看看帕克斯射電望遠鏡
    也就是所謂的「碟子」(The Dish)。
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    你可能看過《不簡單的任務
    (The Dish)》這部電影。
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    無線電棒極了。
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    它可以讓我們能窺探得更深入。
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    它不會被灰塵阻擋,
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    所以你可以看到在宇宙中的任何東西,
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    紅移問題就不算什麼了,
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    因為我們可以建造接收器
    來接收很廣的波段。
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    所以當我們把帕克斯轉向銀河的中央
    我們會看到什麼?
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    我們應該會看到很炫的東西,對吧?
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    嗯,我們確實看到了有趣的東西。
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    所有的灰塵都不見了。
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    如我先前提到的,無線電波可以
    直接穿透灰塵,這不是個問題。
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    但看到的景象非常不同。
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    我們可以看到銀河的中央在發光,
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    這不是星光。
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    這種光叫做同步加速輻射
    (synchrotron radiation),
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    它是由電子繞著宇宙磁場
    螺旋轉動所形成,
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    是這種光讓這個平面看來在發光。
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    我們可以看到來自它的奇特簇束,
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    以及一些物體,
    它們顯然並不符合
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    我們肉眼所見的一切。
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    這個影像很難詮釋,
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    因為如你所見,它的解析度很低。
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    無線電波的波長很長,
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    這使得它的解析度更差。
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    這個影像也是黑白的,
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    所以其實我們不知道
    那裡的任何東西是什麼顏色。
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    快轉到現今,
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    我們可以建造出
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    能解決這些問題的望遠鏡。
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    現在我要給你們看的是
    默奇森電波天文臺的影像,
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    那兒是設置射電望遠鏡的絕佳地點。
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    它很平坦,很乾燥,
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    最重要的是,沒有電波幹擾:
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    沒有手機,沒有無線網路,都沒有。
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    就是完全無電波幹擾。
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    因此是設置電波望遠鏡的完美地點。
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    我這些年來工作中的望遠鏡
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    叫「默奇森寬場陣列(MWA)」,
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    我要給各位看一段它建造過程的縮時影片。
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    這是一群大學和研究生,
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    地點在伯斯。
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    我們稱他們為「學生軍隊」,
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    他們是自願協助架設望遠鏡的義工。
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    做這工作是沒有學分奬勵的。
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    他們在裝配無線電的偶極。
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    它們可以收到很低的頻率,
    有點像是FM廣播或電視。
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    我們將它們佈署到沙漠中。
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    最終望遠鏡含蓋了10平方公里。
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    位在西澳洲的沙漠上。
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    有趣的是,沒有可活動的部件。
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    我們只是佈署了這些小天線,
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    基本上是放在六角形網格上。
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    價格非常便宜。
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    從天線取得的信號
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    透過覽線
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    被送到中央處理單位。
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    是因為這望遠鏡的大小,
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    大到我們得在整個沙漠上建造它,
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    因而才有比帕克斯更好的解析度。
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    最後,所有這些覽線
    把數據傳送給一個處理單位,
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    處理單位又將資訊
    傳到位在伯斯的超級電腦,
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    這就是我發揮功能的地方了。
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    (嘆氣)
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    無線電波資料。
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    我花了過去五年
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    處理非常困難但非常有趣的資料,
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    都是過去沒人看過的。
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    我花了好多時間校調它,
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    花了數百萬中央處理器小時
    來用超級電腦做運算,
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    並真正嘗試去瞭解資料。
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    有了這個望遠鏡,
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    有了這些資料,
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    我們針對整個南方天空進行了一項調查,
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    稱為「銀河系及銀銀河外星系的
    全天空的 MWA 調查」。
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    我簡稱它叫 GLEAM 。
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    我非常興奮。
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    這調查即將要發表,
    但目前尚未公開過,
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    所以你們就是最早
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    看到這南方天空調查的人。
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    我很高興能在此與你們分享
    這次調查中的一些影像。
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    現在,想像一下你去默奇森,
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    你在星空下野營,
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    你向南方看去,
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    看到了南天極,
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    銀河系在上升。
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    如果我逐漸加強無線電的光,
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    我們的調查中所看到的
    畫面就是這樣的。
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    你可以看到
    銀河平面不再因為灰塵而那麼暗了。
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    同步加速輻射讓它亮起來,
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    天上有著數以千計的點。
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    我們的大麥哲倫雲,
    也就是我們最近的銀河鄰居,
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    它是橘色的,
    而非我們比較熟悉的藍白色。
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    所以這裡有很多學問,
    我們再近一點看。
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    如果我們回頭看銀河中心,
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    我先前給大家看的帕克斯影像,
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    是低解析度且黑白的,
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    我們漸漸轉換到 GLEAM 的畫面,
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    可以看到解析度提升百倍。
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    我們現在能看到彩色的天空了,
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    特藝彩色的天空。
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    畫面上的這些顏色並不是假的。
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    它們是真實的無線電波顏色。
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    我做的是將最低頻率設定為紅色,
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    最高頻率設定為藍色,
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    中間頻率則是綠色。
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    就產生了這個彩虹色影像。
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    這不只是假的顏色。
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    畫面中的顏色能告訴我們在宇宙中
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    所發生的物理過程。
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    比如,如果你延著銀河系的平面看去,
  • 9:55 - 9:56
    它因為同步加速輻射而亮著,
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    大部份是橘紅色,
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    但如果我們非常近看,
    可以看到些小藍點。
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    如果我們把影像放大,
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    這些藍點是電離的等離子體,
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    圍繞在非常亮的星體旁邊,
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    原因是因為它們阻擋了紅光,
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    所以會顯現藍色。
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    這些資訊能讓我們瞭解
    我們的銀河系中這些由星體
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    形成的區域。
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    我們能立即看到它們。
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    我們看向銀河系,
    顏色就能顯示它們的所在。
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    你們可以看見小小的肥皂泡,
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    在銀河系平面周圍的小圓圈,
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    它們是超新星的遺跡。
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    當一顆星星爆炸,
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    它的外殼會被脫去,
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    它會向外移動進入太空
    收集物質,
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    產生出小的殼。
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    對天文學家而言,
    超新星的遺跡在何處
  • 10:44 - 10:47
    一直是長久以來的謎。
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    我們知道在平面中一定
    有許多高能量的電子,
  • 10:51 - 10:54
    才能產生我們看見的
    同步加速輻射。
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    我們認為這些電子是
    由超新星遺跡產生的,
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    但似乎光這些遺跡
    還不夠證實猜測。
  • 10:58 - 11:02
    幸運的是,GLEAM非常擅長
    偵測超新星遺跡,
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    所以我們希望很快能
    發表這方面的論文。
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    好了,
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    我們已經探索了我們所處的小宇宙,
  • 11:09 - 11:12
    但我還想要更深入,更進一步,
  • 11:12 - 11:14
    我想要超越到銀河之外。
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    這麼做時,在右上角可以
    看到一個很有趣的物體,
  • 11:18 - 11:21
    這是一個本地的射電星系
  • 11:21 - 11:22
    半人馬星座A。
  • 11:22 - 11:23
    如果我們把它放大,
  • 11:24 - 11:27
    可看到有兩大塊羽狀物
    向外進入太空。
  • 11:28 - 11:30
    往兩塊羽狀物的中心看,
  • 11:31 - 11:33
    你會看到一個星系
    就像我們的銀河系一樣。
  • 11:33 - 11:35
    它是螺旋形的,有一道灰塵帶。
  • 11:35 - 11:37
    是個正常的星系。
  • 11:37 - 11:41
    但只能透過無線電波
    才能看得到這些噴流。
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    如果只看肉眼可見的部份,
    就完全不會知道它們存在,
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    它們比宿主星系還要大數千倍。
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    怎麼回事?這些噴流是如何形成的?
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    在我們所知的每個星系的中心
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    都有個超大質量的黑洞。
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    黑洞是看不見的,
    所以才叫黑洞。
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    只能看見它們周圍的光線偏折,
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    偶爾,當星體或氣體雲進入它們的軌道,
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    會被引潮力給撕碎,
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    形成我們所謂的吸積盤。
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    用X光來看,吸積盤非常亮,
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    強大的磁場能以近光速的速度
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    將物質射入太空中。
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    所以從無線電波上可看到這些噴流,
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    這是我們的調查中發現的。
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    好,我們看過了一個
    射電星系,很好。
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    但如果你看一下影像的上方,
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    會看到另一個射電星系。
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    它稍微小了一點,
    那只是因為它比較遠。
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    好,有兩個射電星系。
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    我們能看見這些,沒問題。
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    那所有其他的光點又是什麼?
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    假設它們都只是星體。
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    但它們不是。
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    它們都是射電星系。
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    這張影像上的每一個點都是
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    一個遙遠的星系,
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    離我們有數百萬甚至數十億光年之遙
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    中心有個超大質量的黑洞,
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    將物質以近光速的速度推入太空中。
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    這太震撼了。
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    這項調查比我們在這裡
    所呈現的部份還要大。
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    如果我們縮小影像來看整個調查,
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    可以看到,我找到了300,000個
    像這樣的射電星系。
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    這真是段壯觀的旅程。
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    我們發現了所有這些星系,
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    追溯到最早先的超大質量黑洞。
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    我對此感到非常驕傲,
    這項調查下週就會發佈。
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    但還不只如此。
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    這項調查中,我已經探索了
    所能觸及的最遠的星系,
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    但在這影像中呈現的還不只如此。
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    讓我帶大家回到宇宙初開之時。
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    當宇宙形成時,是一場大爆炸,
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    讓宇宙變成了氫元素的海洋,
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    中性氫。
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    當最早的星體及星系出現,
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    它們將氫給離子化了。
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    所以宇宙從中性的變成離子化的。
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    這在我們周圍留下了信號。
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    無所不在,它滲透了我們,
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    就像原力一樣。
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    因為這發生在非常古早之前,
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    這個信號發生了紅移,
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    現在這個信號的頻率非常非常低。
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    和我的調查中的頻率一樣,
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    但它太微弱。
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    和我的調查中的任何物體相比
    它只有十億分之一。
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    所以我們的望遠鏡敏感度
    不足以接收到這個信號。
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    然而,有一個新的電波望遠鏡。
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    所以,我無法擁有一艘太空船,
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    但我有希望能擁有
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    世界上最大的射電望遠鏡之一。
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    我們正在建造一個新的望遠鏡
    叫「平方公里陣列」,
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    它將會比默奇森寬場陣列
    還要大上一千倍,
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    敏感度高上一千倍,
    解析度也更高。
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    我們應該可以發現上千萬個銀河系。
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    也許,在那信號中,
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    我可以找到最初的星體和星系。
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    找到時間的起源。
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    謝謝大家。
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    (鼓掌)
Title:
射電望遠鏡如何呈現出看不到的星系
Speaker:
娜塔莎·赫利·沃克
Description:

天文學家娜塔莎 · 赫利 · 沃克說,我們的宇宙很奇異、美妙、浩瀚。目前太空船尚無法帶你深入它,但射電望遠鏡可以。在這場迷人且有著許多影像的演說中,赫利 · 沃克告訴我們她如何用特別的技術來探索宇宙之謎,展現出人眼所看不見的光譜。

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Video Language:
English
Team:
TED
Project:
TEDTalks
Duration:
15:25

Chinese, Traditional subtitles

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