射電望遠鏡如何呈現出看不到的星系

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。

太空，最後的邊境。

我 6 歲時第一次聽到這句話，

並因此深受啓發。

我想要去探索新奇的世界。

我要去尋找新的生命。

我想要去見識宇宙的一切。

這些夢想和話語
讓我踏上了這個旅程，

充滿發現的旅程，

經過中學、經過大學，

唸博士、最後成為專業天文學家。

我學到了兩件很棒的事，

第一件稍微有點不幸，

當我在唸博士時。

我學到現實是，

駕駛太空船不是近期可實現的事。

但我也學到，宇宙是
奇異、美妙、浩瀚的，

事實上，它太浩瀚了
太空船也無法探索完。

因此我把注意力轉向天文學，
轉向使用望遠鏡。

我現在呈現在你們眼前的
是夜晚天空的影像。

你在世界任何地方都可以看到它。

所有這些星星都是
我們這個銀河系的一部份。

如果你到比較暗的一個地方，

一個不錯的黑暗之地，
也許是在沙漠，

你也許能看到銀河系的中心，

上千億顆星星在你面前展開。

這是個非常美的畫面。

非常多彩。

同樣的，這也只是
我們這個宇宙的一小角。

你可以看到有種奇怪的、類似
暗色灰塵的東西橫越它。

這是此處的塵埃，

它遮蔽了星體的亮光。

但我們可以看得很清楚。

只要用我們的雙眼
就可探索宇宙中我們所處的小角落。

還有可能看得更清楚。

你可以使用很好的望遠鏡，
如哈伯空間望遠鏡。

天文學家做出了這張影像。

稱為「哈伯深領域」，

他們花了幾百小時觀察
天空的小小一部分，

比你伸直手臂時看到的
指甲蓋的大小差不多。

在這張影像中，

你可以看到數千個銀河系，

我們知道在整個宇宙中
必定有數億數兆個

銀河系存在，

有些很像我們的銀河系，
有些則非常不同。

所以你心想，好，我可以繼續這旅程。

這很簡單。
我只要用強大的望遠鏡對準天空，

然後只要看著天空，沒問題的。

但如果我們真的這樣做，
其實會錯過很多。

那是因為目前我所講的一切，

都只用到可見光譜，也就是
你眼睛可以看到的電磁波範圍，

那只是極小的一部分，

宇宙一切中極小、極小的一部份。

使用可見光，會有兩個重要的問題。

我們不只會錯過其他的景象──

因為它們發出的是
其他種類的、不可見的光，

還有兩個問題。

第一我之前提到的灰塵，

灰塵阻擋，讓可見光無法傳到我們這裡。

所以當我們看向宇宙更深處，
我們看到的光就更少。

灰塵阻擋讓光無法傳到我們這裡。

但當我們試圖使用
可見的光來探索宇宙時，

會有一個非常奇特的問題。

現在先休息一下。

假設你站在一個角落，繁忙的街角。

有車子經過。

有一輛救護車接近，

它有著高音頻的警笛聲。

（模仿警笛經過）

警笛朝你而來和遠離你時，

音高明顯有所不同。

救護車司機並沒有改變警笛來玩弄你。

那是你的感知所造成的。

當救護車接近時，聲波

會被壓縮，

它們的音高會變更高。

隨著救護車離開，聲波被延展，

警笛聲的音高聽起來就比較低。

光也有同樣的現象，

當物體向我們移動，

它們的光波被壓縮，因此顯得比較藍。

遠離我們的物體，

它們的光波被延展，因此顯得比較紅。

我們稱這些效應為藍移和紅移。

現在，我們的宇宙正在擴張，

所以所有東西都在遠離其他東西，

那就意味著所有東西
看起來都是紅的。

奇怪的是，當你看向宇宙更深處，

距離越遠的物體，
也在越快地遠離我們，

所以它們看起來變得更紅。

如果我回到「哈伯深領域」

並且我們持續窺探宇宙深處，

僅僅只使用哈伯，

當我們到達一定距離之後，

每樣東西都變成紅色，

那就呈現出了一個問題。

最終，地方距離我們如此之遠，

一切都轉變成紅外線，

我們就完全看不到任何東西。

那必須要有解決之道。

否則，我的旅程將受到限制。

我想要探索整個宇宙，

不僅僅是肉眼可見的部份，
可現在，「紅移」造成了麻煩。

有一種技術，

叫射電天文學。

天文學家已使用這技術數十年了。

它是種很棒的技術。

我讓你們看看帕克斯射電望遠鏡
也就是所謂的「碟子」（The Dish）。

你可能看過《不簡單的任務
（The Dish）》這部電影。

無線電棒極了。

它可以讓我們能窺探得更深入。

它不會被灰塵阻擋，

所以你可以看到在宇宙中的任何東西，

紅移問題就不算什麼了，

因為我們可以建造接收器
來接收很廣的波段。

所以當我們把帕克斯轉向銀河的中央
我們會看到什麼？

我們應該會看到很炫的東西，對吧？

嗯，我們確實看到了有趣的東西。

所有的灰塵都不見了。

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。

但看到的景象非常不同。

我們可以看到銀河的中央在發光，

這不是星光。

這種光叫做同步加速輻射
（synchrotron radiation），

它是由電子繞著宇宙磁場
螺旋轉動所形成，

是這種光讓這個平面看來在發光。

我們可以看到來自它的奇特簇束，

以及一些物體，
它們顯然並不符合

我們肉眼所見的一切。

這個影像很難詮釋，

因為如你所見，它的解析度很低。

無線電波的波長很長，

這使得它的解析度更差。

這個影像也是黑白的，

所以其實我們不知道
那裡的任何東西是什麼顏色。

快轉到現今，

我們可以建造出

能解決這些問題的望遠鏡。

現在我要給你們看的是
默奇森電波天文臺的影像，

那兒是設置射電望遠鏡的絕佳地點。

它很平坦，很乾燥，

最重要的是，沒有電波幹擾：

沒有手機，沒有無線網路，都沒有。

就是完全無電波幹擾。

因此是設置電波望遠鏡的完美地點。

我這些年來工作中的望遠鏡

叫「默奇森寬場陣列（MWA）」，

我要給各位看一段它建造過程的縮時影片。

這是一群大學和研究生，

地點在伯斯。

我們稱他們為「學生軍隊」，

他們是自願協助架設望遠鏡的義工。

做這工作是沒有學分奬勵的。

他們在裝配無線電的偶極。

它們可以收到很低的頻率，
有點像是FM廣播或電視。

我們將它們佈署到沙漠中。

最終望遠鏡含蓋了10平方公里。

位在西澳洲的沙漠上。

有趣的是，沒有可活動的部件。

我們只是佈署了這些小天線，

基本上是放在六角形網格上。

價格非常便宜。

從天線取得的信號

透過覽線

被送到中央處理單位。

是因為這望遠鏡的大小，

大到我們得在整個沙漠上建造它，

因而才有比帕克斯更好的解析度。

最後，所有這些覽線
把數據傳送給一個處理單位，

處理單位又將資訊
傳到位在伯斯的超級電腦，

這就是我發揮功能的地方了。

（嘆氣）

無線電波資料。

我花了過去五年

處理非常困難但非常有趣的資料，

都是過去沒人看過的。

我花了好多時間校調它，

花了數百萬中央處理器小時
來用超級電腦做運算，

並真正嘗試去瞭解資料。

有了這個望遠鏡，

有了這些資料，

我們針對整個南方天空進行了一項調查，

稱為「銀河系及銀銀河外星系的
全天空的 MWA 調查」。

我簡稱它叫 GLEAM 。

我非常興奮。

這調查即將要發表，
但目前尚未公開過，

所以你們就是最早

看到這南方天空調查的人。

我很高興能在此與你們分享
這次調查中的一些影像。

現在，想像一下你去默奇森，

你在星空下野營，

你向南方看去，

看到了南天極，

銀河系在上升。

如果我逐漸加強無線電的光，

我們的調查中所看到的
畫面就是這樣的。

你可以看到
銀河平面不再因為灰塵而那麼暗了。

同步加速輻射讓它亮起來，

天上有著數以千計的點。

我們的大麥哲倫雲，
也就是我們最近的銀河鄰居，

它是橘色的，
而非我們比較熟悉的藍白色。

所以這裡有很多學問，
我們再近一點看。

如果我們回頭看銀河中心，

我先前給大家看的帕克斯影像，

是低解析度且黑白的，

我們漸漸轉換到 GLEAM 的畫面，

可以看到解析度提升百倍。

我們現在能看到彩色的天空了，

特藝彩色的天空。

畫面上的這些顏色並不是假的。

它們是真實的無線電波顏色。

我做的是將最低頻率設定為紅色，

最高頻率設定為藍色，

中間頻率則是綠色。

就產生了這個彩虹色影像。

這不只是假的顏色。

畫面中的顏色能告訴我們在宇宙中

所發生的物理過程。

比如，如果你延著銀河系的平面看去，

它因為同步加速輻射而亮著，

大部份是橘紅色，

但如果我們非常近看，
可以看到些小藍點。

如果我們把影像放大，

這些藍點是電離的等離子體，

圍繞在非常亮的星體旁邊，

原因是因為它們阻擋了紅光，

所以會顯現藍色。

這些資訊能讓我們瞭解
我們的銀河系中這些由星體

形成的區域。

我們能立即看到它們。

我們看向銀河系，
顏色就能顯示它們的所在。

你們可以看見小小的肥皂泡，

在銀河系平面周圍的小圓圈，

它們是超新星的遺跡。

當一顆星星爆炸，

它的外殼會被脫去，

它會向外移動進入太空
收集物質，

產生出小的殼。

對天文學家而言，
超新星的遺跡在何處

一直是長久以來的謎。

我們知道在平面中一定
有許多高能量的電子，

才能產生我們看見的
同步加速輻射。

我們認為這些電子是
由超新星遺跡產生的，

但似乎光這些遺跡
還不夠證實猜測。

幸運的是，GLEAM非常擅長
偵測超新星遺跡，

所以我們希望很快能
發表這方面的論文。

好了，

我們已經探索了我們所處的小宇宙，

但我還想要更深入，更進一步，

我想要超越到銀河之外。

這麼做時，在右上角可以
看到一個很有趣的物體，

這是一個本地的射電星系

半人馬星座A。

如果我們把它放大，

可看到有兩大塊羽狀物
向外進入太空。

往兩塊羽狀物的中心看，

你會看到一個星系
就像我們的銀河系一樣。

它是螺旋形的，有一道灰塵帶。

是個正常的星系。

但只能透過無線電波
才能看得到這些噴流。

如果只看肉眼可見的部份，
就完全不會知道它們存在，

它們比宿主星系還要大數千倍。

怎麼回事？這些噴流是如何形成的？

在我們所知的每個星系的中心

都有個超大質量的黑洞。

黑洞是看不見的，
所以才叫黑洞。

只能看見它們周圍的光線偏折，

偶爾，當星體或氣體雲進入它們的軌道，

會被引潮力給撕碎，

形成我們所謂的吸積盤。

用X光來看，吸積盤非常亮，

強大的磁場能以近光速的速度

將物質射入太空中。

所以從無線電波上可看到這些噴流，

這是我們的調查中發現的。

好，我們看過了一個
射電星系，很好。

但如果你看一下影像的上方，

會看到另一個射電星系。

它稍微小了一點，
那只是因為它比較遠。

好，有兩個射電星系。

我們能看見這些，沒問題。

那所有其他的光點又是什麼？

假設它們都只是星體。

但它們不是。

它們都是射電星系。

這張影像上的每一個點都是

一個遙遠的星系，

離我們有數百萬甚至數十億光年之遙

中心有個超大質量的黑洞，

將物質以近光速的速度推入太空中。

這太震撼了。

這項調查比我們在這裡
所呈現的部份還要大。

如果我們縮小影像來看整個調查，

可以看到，我找到了300,000個
像這樣的射電星系。

這真是段壯觀的旅程。

我們發現了所有這些星系，

追溯到最早先的超大質量黑洞。

我對此感到非常驕傲，
這項調查下週就會發佈。

但還不只如此。

這項調查中，我已經探索了
所能觸及的最遠的星系，

但在這影像中呈現的還不只如此。

讓我帶大家回到宇宙初開之時。

當宇宙形成時，是一場大爆炸，

讓宇宙變成了氫元素的海洋，

中性氫。

當最早的星體及星系出現，

它們將氫給離子化了。

所以宇宙從中性的變成離子化的。

這在我們周圍留下了信號。

無所不在，它滲透了我們，

就像原力一樣。

因為這發生在非常古早之前，

這個信號發生了紅移，

現在這個信號的頻率非常非常低。

和我的調查中的頻率一樣，

但它太微弱。

和我的調查中的任何物體相比
它只有十億分之一。

所以我們的望遠鏡敏感度
不足以接收到這個信號。

然而，有一個新的電波望遠鏡。

所以，我無法擁有一艘太空船，

但我有希望能擁有

世界上最大的射電望遠鏡之一。

我們正在建造一個新的望遠鏡
叫「平方公里陣列」，

它將會比默奇森寬場陣列
還要大上一千倍，

敏感度高上一千倍，
解析度也更高。

我們應該可以發現上千萬個銀河系。

也許，在那信號中，

我可以找到最初的星體和星系。

找到時間的起源。

謝謝大家。

（鼓掌）