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文/陳明堂

格陵蘭望遠鏡計畫的工作是由中研院天文所負責:我們必須改裝原型機,再把它運到格陵蘭。但把沙漠中的原型機改裝成可在冰原用的望遠鏡並不是一件小事,更何況我們還不知道望遠鏡經過這幾年的閒置,是否還可以正常運作、是否有什麼問題。接手原型機的第一件工作就是仔細檢查,判斷機器的現況。

從2011年4月起,中研院天文所團隊陸續到新墨西哥州中部的索科羅,動員了台北實驗室所有的技術人員和中科院劉慶堂的團隊,還加上我在夏威夷建立的技術團隊,我們也邀請了原來參與原型機建造的德國廠商、美國國家電波天文台、史密松天文中心的工程人員,一同到特大陣列現場做拆卸前的檢查。

這段時間,他們就住在索科羅的鎮上,我除了在夏威夷的辦公室指揮和調度工作流程之外,不時也在索科羅、台北之間飛來飛去。

索科羅是個人口不到一萬的沙漠小鎮,鎮裡到處是矮矮胖胖、用泥土砌成的土磚屋,屋子都有拱形的門窗、突出屋外的木梁與厚實的土牆,能夠在沙漠中保持室內冬暖夏涼。除了這些土坯式的房子之外,就只有一兩間超市、幾家餐廳。

特大陣列的運轉中心也在索科羅,但是從這裡到特大陣列的據點有八十公里,必須每天開車往返。環視周遭,入眼的總是黃褐色的枯山和低矮的灌木叢,穿插各式各樣的仙人掌;這裡的仙人掌有球狀、珊瑚狀、扇子狀、像米老鼠耳朵的、還有像超級大燭台的,其中巨柱狀的仙人掌甚至能有百年壽命……算一算,這荒漠的仙人掌可能比人還多。

在沙漠環境下工作,溫度變化有如三溫暖:晚上又乾又冷,一瓶水放在車子裡過夜竟然會結冰;但一到了白天太陽正中的時候,變成又熱又乾,流出來的汗一下子就被蒸乾,一不注意就脫水中暑,工作人員總是忙著補充水分。

幾個月下來,還真的查到有幾個元件已經不堪使用。

到了7月,我們請德國的望遠鏡廠商根據我們的要求和規格進行評估,看看到底哪些地方需要改裝。

事件視界望遠鏡起跑

2012年1月,我到美國亞利桑那州參加科學研討會,在會場報告「格陵蘭計畫」時,在場的同行大多不看好。有幾個比較熟識的朋友甚至直言:「到格陵蘭太難了,而且建造時程會拖太長,跟不上主流的進展,為何要浪費這些錢呢?」「把那些錢投進我們的計畫中吧,你們不會成功的。別傻了。」

我心想:哪一個計畫不必花錢,哪一個創新的工作沒有風險呢?我們的策略雖然有著高風險,但可能獲得前所未有的成果啊!再說,科學家的責任不就是要探索未知、拓展人類的知識版圖嗎?都還沒有開始「探索」,怎麼就「知道」會失敗呢?而且這次的改裝機會得來不易,如果把經費改投入別人的計畫,不但違背了我們的承諾,也偏離了中研院天文所的方向。

在那場研討會的其中一個晚上,多爾曼開了議程之外的討論會,邀請了魯國鏞以及多位次毫米波段望遠鏡的負責人。這個非正式聚會大概是事件視界望遠鏡的第一次工作會議,討論的重點就是智利的阿爾瑪陣列什麼時候會加入事件視界望遠鏡。

幾年以前,多爾曼完成了夏威夷次毫米波陣列的系統升級,讓次毫米波陣列不再只是一般的干涉陣列,可以參與VLBI觀測。現在,他剛剛獲得美國國科會的經費,並得到阿爾瑪總部的同意,可以開始升級阿爾瑪陣列,估計2015年可以完成。屆時,事件視界望遠鏡的功力將會大大的提高。

在場的科學家樂見其成,都願意共襄盛舉,非常期待2015年事件視界望遠鏡有所突破,說不定能獲得人馬座A*的影像。當然,計畫的進展或許不會那麼順利,可能會碰到其他的問題,成功與否,無法預料。

唯一可以確定的是,事件視界望遠鏡的團隊正在加速,如果「格陵蘭望遠鏡」想出人頭地,除了做好在2015年加入事件視界望遠鏡的準備,也得盡快完成改裝,將視線朝向我們最感興趣的目標M87*。

時間,就此成為計畫中最大的壓力源。

機器也會怕冷

德國的望遠鏡廠商跟我們討論了幾次細節後,終於在2012年3月提出改裝專案,我們從他們的改裝專案中發現,「格陵蘭計畫」的問題主要有兩個:一個是水土不服,另一個是重量太大。

第一個問題,就是氣候。阿爾瑪原型機一開始的設計是配合高山沙漠的環境,雖然阿塔卡瑪沙漠冬天的溫度可低到零下攝氏二十至三十度,但格陵蘭冰原峰頂的氣候更為惡劣,冬天溫度可達到零下攝氏七十度。許多暴露在外的零件,像是負責轉動望遠鏡的大齒輪,很可能會因低溫而脆化,所以必須換成低溫下不會脆化的特殊鋼材。

另外,為了保護望遠鏡外部的機箱和設備,必須再做兩個大機房來放置這些組件。除了碟面要接收訊號,不能阻擋之外,望遠鏡所有暴露在外的結構體,都必須加上厚厚的一層保溫泡綿。至於碟面要怎麼處理呢?一旦碟面結冰,望遠鏡就等於完蛋。我們決定在望遠鏡碟面後方放置加熱器,並且把所有的電器、電子線路,都換成能夠承受極低溫的材料。

太重也會出問題

第二個問題,就是望遠鏡太重了。改裝後要增加新的機房、隔熱層,新的線路等等,讓望遠鏡的總重增加,使得望遠鏡原本的機械結構無法承受新增的重量,所以必須再做新的機械結構,同時也要加強支撐結構。然而經過這些改裝後,望遠鏡又會再重上許多。

這些新增加的重量會影響動力伺服系統的功能。動力伺服系統的功用是指揮望遠鏡完成最細微的轉動,因此我們必須非常小心的安排,在望遠鏡上面平衡分配新增的重量,同時想辦法減少不必要的改裝。

冰原上怎麼打地基?

我們粗略的估計,格陵蘭望遠鏡會介於一百至一百五十公噸,這延伸出另一個更為棘手的問題:怎麼讓望遠鏡的基座保持穩定?

玩過高倍率攝影的人或是天文愛好者應該都知道,拍照前必須把儀器架在一個非常穩固的基座上,否則拍不出清晰乾淨的影像。這對望遠鏡來說尤其重要,因為我們的望眼鏡的解析力更高,更為敏感,而它有一百五十公噸重。如何保證這台巨大的「照相機」能夠精準順暢的觀測星格陵蘭望遠鏡計畫,建造出北極唯一的天文觀測站星,安置穩固的基座是一大重點。

幫天文望遠鏡安置基座是一件大工程,一般的做法是在地底下找到堅固的岩床,挖個大坑,打下地基,再根據望遠鏡的重量,蓋一個大基座,望遠鏡就架設在基座上。在智利阿塔卡瑪沙漠上,要找到適合的岩床不是問題;可是到了格陵蘭的冰原,問題就來了,因為冰原下超過兩公里深才有岩床,不太可能把地基打那麼深,只能把地基打在冰原上。

整體來看,格陵蘭冰原是一塊幾千公里長、夯實的雪塊,雪塊最厚的地方達三公里。夯實的雪塊的密度比一般的雪原表面高一點,但還是比水的密度低,和我們熟悉的實地比較起來相對鬆軟。此外,冰原隨時都以緩慢的速度移動,估計每天大概移動一至兩毫米。如果你用一台縮時攝影機,每個月拍一張望遠鏡的照片,你就會看到「格陵蘭望遠鏡」像一艘平底船,浮在浩瀚的冰河上,搖啊搖,搖到外婆橋,慢慢的往海邊漂。

冰河不可能停止移動,所以我們只好想其他辦法,例如為了增加地基的穩定度,可以做一座大支架埋在雪裡頭。一方面將望遠鏡的重量分散,降低傳到冰原上的重量壓力,另一方面,將這座支架和冰原融合在一起,讓底下的大冰原成為望遠鏡的單一地基。

這些衍生出來的工程問題,使得「把望遠鏡從新墨西哥運送到格陵蘭」的計畫不再只是單純的拆裝、運送。現在的情況遠比想像中複雜,整台原型機只剩接收訊號的碟面反射板不必調整,其他的部件都得重新打造,再加上額外的設備,對經費的運用產生極大衝擊。

在我先前的工作生涯中,蓋望遠鏡遇到的大大小小困難我都克服了,總是按時達成任務,但是這一次的工作,要面對的問題實在太多、太棘手,內心不禁有些動搖。因此在開工前,我特別打了通電話,問了我當時的老闆賀曾樸:「要拆原型機了!一動工下去,我們就不能回頭了,下次再看到望遠鏡就是在格陵蘭了。你確定?」他毫不猶豫的回答說:「當然,開動吧。」

※ 本文摘自《黑洞捕手:台灣參與史上第一張黑洞照片的故事》,原篇名為〈第7章 拆解原型機〉,立即前往試讀►►►

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