Sunday, Sep. 21, 2014

     

獨樹一幟—遠征極頂探尋微中子

天壇陣列國際共同發言人陳丕燊專訪

文 / 李鍾旻(《科學月刊》編輯)

2011年,距人類首度征服南極極頂屆滿一百周年,對全世界而言意義非凡,而台灣的科研團隊也在此時登上南極大陸。這是台灣學者首度遠征南極,不僅意味國內科學水平受到國際所肯定,更象徵台灣天文研究邁向了新的里程碑。

台大物理系暨天文物理所講座教授陳丕燊(ㄕㄣ-)與他的研究團隊,於去年年底立足世界上最南端的冰原,在攝氏零下40 多度的嚴苛環境進行實驗。此行的任務,是為參與國際團隊安裝微中子天文台「天壇陣列」(Askaryan Radio Array, ARA)的第一座無線電天線探測站。建造中的ARA 將由37 座天線探測站所組成,面積涵蓋100 平方公里,深埋於海拔3000 公尺高的南極冰原中。這些探測站將用於偵測穿透南極冰層內的高能宇宙微中子,藉此探索無垠宇宙的邊際。

天壇陣列的緣起

談到此行由來,陳丕燊表示,自己曾於2006 年在史丹佛大學主導一項捕捉宇宙微中子的計畫,研發一座「南極脈衝瞬態陣列」(Antarctic Impulsive Transient Antenna, ANITA)探測器。目的為將之搭載於美國航太總署的氣球,從南極冰層表面偵測微中子所產生之訊號。台灣大學的團隊,亦在陳丕燊的帶領下參與。然而因ANITA 探測器在操作上有較多雜訊干擾,以及電力的限制,因此若能將探測儀器建構於冰的表層之下則更為理想。

2007 年返國服務後,陳丕燊奉獻自身所學,在他領銜下於2009 年與國際上有共同理想的專家學者共同發表了一份白皮書,促成了ARA計畫。ARA團隊在美國方面由美國國家科學基金會審核,台灣團隊則有賴國科會卓越領航計畫資助,全權負責天線研發。台灣於2011 年通過計畫,並成為國際合作的推手。陳丕燊即親赴南極參與實驗,安置首座測試性天線站,並擔任ARA 國際共同發言人之重任。ARA的37座天線探測站,台灣團隊將負責提供10 座,並預計在2012 年冬天正式進行安裝。

然而進行這樣的研究,究竟所為何事?陳丕燊解釋,微中子是一種質量極輕、不帶電荷的基本粒子。由於作用力非常微弱,在宇宙中不受阻擋,也不易偏折。因此若能測得宇宙中任一個角落的微中子,便能藉此推估該未知地點的資訊;假使能捕捉到來自宇宙邊緣的微中子,便有機會追溯到宇宙的起源。ARA 計畫的目的,便是期望透過這項研究,幫助人類去了解宇宙的起源,進一步解答未知的事物。而除了為增進人類對宇宙的認知,在南極冰原觀測到的微中子,亦能提供高能粒子物理方面的重要資訊。

探尋微中子,前進南極

接著,陳丕燊分享了前往南極的經歷。由於地理位置以及天候等因素,往極頂的路途,須從距離南極大陸最近的紐西蘭南島,搭乘軍用飛機前往。研究人員先在紐西蘭搭乘美軍C-17 運輸機,飛行6~7 個小時後,才能到達位於南極邊緣的麥克默多站(McMurdo Station),然而此時並未到達終點。至隔夜,須再轉乘另一架軍機,乘坐約3~4個小時,方抵達目的地研究站——位於南極極頂的阿蒙森– 史考特南極站(Amundsen-Scott South Pole Station)。

為避免突發狀況,乘坐軍機途中需事先穿好厚重的防寒裝備。抵達研究站後,陳丕燊便在當地環境下工作,於極頂停留了約兩個星期的時間。如此一連串的交通行程,從台北離開時算起,至最終到達研究站,共歷經了5 天之久。而回程時則約花費3 天的時間回到台北(因去程時需依規定在紐西蘭多停留兩日)。

儘管身為首位登上南極的台灣學者,陳丕燊也表示,這一切並非個人的能力,而是由政府、私人捐贈及大學院校通力合作所促成。此行有賴台大「梁次震宇宙學與粒子天文物理學研究中心」作為平台、行政院國家科學委員會的資助,以及國立台灣大學所提供的研究空間,這是台灣整體社會實力的展現。當然也由於國際上的共同努力,特別是美國方面的資助,才能達成此一理想。

▲降落南極的美國軍用C-17 運輸機。由於環境的限制,研究站中所需物資和人員往來,一般仰賴飛機運輸補給。

在地球的最南端生活

放眼望去,研究站方圓幾千公里幾乎沒有任何生物,這樣的場景也令陳丕燊留下深刻的印象。整座研究站,總計約有230位左右的人員在此生活,其中1/10 為科學家,其餘包括管理、清潔員、工程人員等,目的皆為支援科學研究。除了科學的目的,沒有別的企圖。

研究站內,一切資源皆仰賴外界輸入,因此任何活動須以儉約為首要原則,能源與物資的管制尤其嚴格。使用能源和水,每天均有報表管控,檢查有無超量使用資源。例如站內規定一週僅能洗二次澡,每次洗澡更不得超過二分鐘,以避免石油的過度消耗。為了不對南極當地造成汙染,資源回收也很徹底,站內所有廢棄物皆需回收。除了注重環保、重視能源效益,為了避免流行病發生,衛生條件也是一大要務,因此進入南極前的體檢也十分嚴格。

「由於在南極生活並沒有商業價值,因此當地網際網路的涵蓋也相當有限。」陳丕燊說明,在當地,每天只有當衛星經過地區上空的時段可使用網路對外連線。這樣的時段,每一天有兩次,然而可想而之,頻寬相當的窄,因此有流量的限制。雖然每天可上網的時段均會公布在站內,但是這樣的時段與作息時間並不同步。有時,網路開通時正好是睡眠時間。在這樣的情況下,為了使用網路,必須犧牲睡眠,以避免錯過每天僅有的通訊時段。話說回來,儘管站內依照紐西蘭時區,有正常的作息與睡眠與三餐時段,其實在當時,戶外為長達半年的白晝狀態。

陳丕燊平時研究工作相當忙碌,因此在出國期間,部份國內事務尚需仰賴網路來達成。不巧的是,這段時間也正逢學校推甄、申請海外研究所的密集時期,有幾位自己所指導的學生即將畢業,因此陳丕燊也一面做研究,一面藉著網路替學生寫推薦信,甚至在南極期間仍發表了兩篇論文,同時完成了許多任務。

在南極生活,非但極其孤寂,部份留守人員尚且需在站內渡過8~9 月終日黑暗的「永夜」期,不僅看不到太陽,也無法返家,僅有狹窄的生活範圍。因而,站內設有健身房、美術工作坊,以及溫室等環境,用作休閒用途。「到南極後,除了在溫室,一直到回到紐西蘭上空,才見到綠色。」陳丕燊憶及,溫室中栽種許多綠色植物;於極頂的環境下,維持溫室中的溼度與光源,是非常不容易的。

▲冰天雪地的南極。陳丕燊於南極從事研究時所攝,桿狀物為ARA 的風力發電設備。

為何選擇在南極從事研究?

那麼,為什麼尋找微中子,必須前往南極,而不考慮別處?這是因為,南極的極頂擁有數千萬年所累積的冰層,極為純淨,也因為冰層下極少雜訊。在這樣的環境裡,當宇宙微中子打到冰層中,會受到冰層裡的原子、分子所阻擋,並產生億萬正負電子對(electron-positron pair)的簇射(shower),以接近光速前進。由於正子的自由路徑較短,當簇射繼續在冰層中穿行時,會導致電子數量遠大於正子。於是這個帶電的簇射就會放出一種叫做「切侖可夫輻射」的脈衝效應。藉由觀測這些效應的無線電波頻段(因為無線電波可以傳得很遠),便能推測出微中子的特性,以此得知來自宇宙的訊息。

此外,幅員遼闊的冰原,能夠阻斷各種外來電波干擾,且因南極當地並無居民,故也無電信訊號干擾的問題。相對的,與南極相較,北極不但無陸地,當地浮冰亦具有漂移的缺點;再加上冰層零碎,輔助設施不易建構架設,因此北極並非恰當的選擇。

由於天線須安裝在南極冰層中約200公尺處,因此須行「鑽井」的過程,這樣的重責大任,便仰賴專業的工人,於嚴寒的戶外施工完成。而為何需要鑽井至冰層中,而不將儀器單純的放置在冰上?這是因為表面的冰層,相對較疏鬆、不均勻,為避免訊號受折射的影響,需往下裝於較緊密、相對均勻的冰層。每一座天線探測站,須鑿五個孔洞,其中四個洞安置天線,另一個洞則作為校準用。儘管目前架設施工上相當困難,但一旦架設完成,日後便能以電腦操作,未必需要派駐人力在南極留守。

儘管陳丕燊此行的初衷純粹是科學上的目的,為進行實驗而前往當地,但也正好在當時碰上了人類踏上南極極頂1 0 0 週年,因而有機會參與挪威於當地舉辦的百年慶典,成為一段難得的經歷。

百年慶典,適逢建國百年

12 月14 日,陳丕燊受邀參加阿蒙森征服南極百年的紀念活動,挪威總理史托騰柏格(Jens Stoltenberg)在紀念儀式上,為阿蒙森冰雕揭幕,並在地面插上挪威國旗。象徵紀念人類征服南極百年的阿蒙森冰雕將會留在當地。恰巧,去年也是中華民國的建國一百年。為了紀念台灣人首度登上極頂,並慶賀建國百年,陳丕燊並於此行中,將中華民國國旗立於南極,與各國國旗共同飄揚。

這當中其實有一小段插曲,陳丕燊解釋,這件正反兩面的國旗,其實是他臨時花費10 個小時在南極所繪製。由於陳丕燊出國前太過忙祿,忘了帶上原先準備好的國旗。但也就那麼剛好,他發現研究站內的美術工作坊,內有各式繪畫材料,坊內並有一大型桌面空間足以用來繪製國旗。更驚訝的是,稍後又在坊內找到了一些大小合適的布料,原先曾苦惱若將衣物當作材料,則大小不足(面積無法與現場各國國旗相比)的問題,也因此迎刃而解。

因為陳丕燊在白天需專心進行計畫的實驗,因此他便利用晚上的時間,於美術工作坊內的桌面上親自製作手繪國旗。而因為唯有簽訂南極條約的國家,國旗才能長期立於此(因此當地只有十二國的國旗),因此在回國後,他也一併將國旗帶回台灣。這面曾在南極極頂飄揚的國旗,日後將由台大校史館收藏,成為台大校史的一部份。

由美國國家科學基金會所負責管理的阿蒙森–史考特南極站,每週日晚上慣例會有一場科學講座。研究站負責人非常重視陳丕燊的來訪,在他住在研究站的週日,特地安排了一場講座,請他介紹台灣在高能微中子方面的研究。當然陳丕燊也藉這個機會,將同樣於當年慶祝百年之喜的中華民國歷史介紹給來賓。

▲陳丕燊與自繪的中華民國國旗,於地理南極點留下合影。地理南極點係地球自轉的南軸心,即南緯90 度之點,位於阿蒙森–史考特南極站附近。

天壇陣列的未來遠景

目前,首座ARA天線探測站已於2012年初完工,並計劃在未來四年內,安裝全數37 座探測站,完成面積達100 平方公里範圍之無線電天線陣列,屆時將成為全世界最大的微中子天文台。

陳丕燊說明,當前技術上最困難的部份,即為鑽井的工程。在鑽井工程上,曾於2011 年冬天,遭遇一些瓶頸。雖然,天線的安置,僅需約200公尺深的孔洞,但在冰天雪地中,須使用蒸汽的方式發熱,其實施工並不容易。此為當下團隊所面臨的一大挑戰,尤其是面對下個冬天,尚須安裝新的天線探測站,因而,所屬國際團隊目前正緊鑼密鼓的改善當前鑽井工藝。而台灣所承諾的10 座天線探測站,也將會持續進行研發。

另一方面,在建設完成後,將會是另一個實際觀測的階段。未來在結束所有安裝步驟後,預計將持續對宇宙微中子進行5~10年的觀測,持續收集所需數據。而此項中華民國百年以來的首次南極科學研究,亦將會持續扎根。陳丕燊表示,假若未來幾年真能如願以償,藉由天壇陣列對宇宙的面貌有了重大發現,他期望這項工作能進一步由100平方公里擴展至1000 平方公里,持續進行下去,更大量的蒐集資訊。如此,包括宇宙是否有額外維度空間的問題,以及基本粒子在最高能前沿的資訊,也許終能獲得解答。這樣一來,不僅能帶來歷史性的貢獻,更能使人類對宇宙的全貌有更透徹的了解。

科學月刊 第四十三卷第五期

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