2009年8月8日

從0與1之間認識廣大宇宙

電腦科技對於天文學研究,扮演舉足輕重的角色,不論是觀測、模擬、星體演化研究,都需要大量的科技支援,由此我們才能對宇宙有更深遠的認識。

作者/曾耀寰

一般人對天文學家工作的印象,不外乎在高山上的天文台裡頭,外頭寒風刺骨,方圓百里不見人煙,孤獨的天文學家專注精神、目不轉睛地對著一管長長的望遠鏡,耐著性子記錄天體運行的狀況。這是十七、十八世紀天文學家的工作紀實,當時沒有照相機,沒有電暖設備,天文學家只能將眼睛所看到的天體,盡可能詳實地描繪下來。

前「電腦」時代

1609 年,伽利略拿自製的望遠鏡,把月球表面描繪出來:高山、平原和谷壑在伽利略的筆下清楚顯現。伽利略還連續好幾天記錄太陽表面的黑斑(太陽黑子),進而了解這些黑斑並非正好行經太陽的內行星,而是長在太陽的表面。此外,由於太陽黑子會隨著太陽表面移動,所以伽利略能據此推測太陽的自轉運動。

1845 年,羅斯爵士用自製的望遠鏡首次看到螺旋星雲M51(現稱做螺旋星系),並手繪下來。羅斯爵士的發現,可能就是畫家梵谷名作〈星夜〉(starry night)的靈感。

在同一時期, 法國藝術家達蓋爾(Louis-Jacques-Mandé Daguerre),接續了另一位法國藝術家尼普斯(Joseph Nicephore Niepce)的攝影技術,發展出達蓋爾攝影術,可以在敷有銀的銅版上記錄光的訊號,就像現在的傳統照相機,透過物質與光之間的化學反應,將影像記錄在照相底片一樣。

1840年英國化學家德雷柏(John William Draper)首先將攝影術應用到天空,經過長達20 分鐘的曝光,成功拍攝到月亮的模糊照片,這也是人類首張成功拍攝到的天文照片。雖然一開始照相的效果並不理想,經過長期改良,逐漸成為天文學家記錄天體訊號的主要工具。

進入數位時代

1969年兩名美國貝爾實驗室研究人員設計出電荷耦合元件(簡稱CCD)的基本架構及操作原理(參見《科學月刊》2009 年3 月號), CCD是一種將光轉換成電的電子儀器,基本原理是和光電效應有關,當光子打到半導體晶片上,會有一些電子得到光子的能量而逃離出來,逃脫的電子數量是和光的強度有關,只要把逃脫的電子數量記下來,便可以得到光的強度。因此我們可以說CCD 是一種記錄光的偵測器。不過,有個和照相底片不同之處,就是我們可以透過CCD 得到電訊號,如此一來,照相攝影便進入數位化時代。

1973 年第一台商業用CCD問世,解析度只有100 × 100 畫素。1974 年,透過20公分口徑望遠鏡,天文學家得到首張月亮的數位照片, 1979 年美國基特峰天文台,引進320×512畫素的CCD照相機,天文觀測正式進入數位時代。

天文學進入數位時代是不可避免的,二十一世紀的天文觀測不再只是想像中的以管窺天,地面上單一可見光望遠鏡的口徑已達10 公尺,天文學家沒辦法單靠人力操控望遠鏡,也不再將眼睛貼在望遠鏡的目鏡前頭,直接觀察天象。

事實上,現今的天文觀測者,是坐在配有空調系統的控制室內,控制室裡頭放了一排排的電腦,天文學家坐在電腦前面,將星星在天球上的位置鍵入,藉由自動馬達的帶動,遙控巨大的望遠鏡,當望遠鏡對準目標後,再接著在電腦螢幕前下達指令,透過CCD 將通過望遠鏡的星光記錄下來。有時天文學家甚至不需要坐在天文台的控制室內,只要透過網際網路的連接,就可以在遠端電腦前下指令,進行天文觀測。藉由電腦的自動控制,不僅是天文觀測,在其他科學領域也都有類似的應用。

數位資料的校正

CCD記錄資料之後,天文學家還要分析資料,在分析之前,資料的校正是非常關鍵的。為了要得到「乾淨」的資料,一些會擾亂資料純淨度的雜訊都需要被去除,例如天空中背景光的干擾、接收設備本身溫度所帶來的雜訊,這些動作都經由天文學家將處理步驟寫成電腦程式,讓電腦遵照程式將資料「純化」。之後再從資料當中,分析出有用的訊息,解釋望遠鏡所看到的現象。【更進一步的內容,請參閱第476期科學月刊】

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