劉雨++蔡金剛

主要觀測及研究機構

天文學及天體物理學研究分為實際天文觀測與理論分析探討兩大類。由于臺灣島內(nèi)缺少獨立建造大型天文望遠鏡的經(jīng)濟和技術能力，以及當?shù)貚u嶼環(huán)境導致溫濕潮熱多云的的地理氣候條件不適宜開展天文觀測，因此除在嘉義鹿林山上建有4座口徑僅50厘米的小型天文望遠鏡和一具1米口徑的中型天文望遠鏡外，其余觀測設備都是通過在外國與其他天文臺或天文國際組織合作建造的方式來取得，包括位于美國夏威夷冒納基山的次毫米波陣列射電望遠鏡和宇宙微波背景輻射陣列射電望遠鏡，以及位于格陵蘭的12米射電望遠鏡和目前正在建造中的位于智利阿塔卡瑪沙漠的大型毫米波及次毫米波陣列射電望遠鏡，臺灣都只是眾多參與者之一，僅擁有這些天文觀測設施的部分使用權力。

鹿林天文臺位于嘉義縣阿里山鄉(xiāng)及南投縣信義鄉(xiāng)交界處，地處玉山公園之內(nèi)，海拔2，862米，位于逆溫層之上，光害和塵害較小。由于緯度低，接近赤道，可以觀測到較寬廣的范圍，包括日本、韓國等國家觀測不到的南半球天體。尤其是沿著夏威夷的大天文臺，向西到臺灣，中間沒有任何觀測站，因此鹿林天文臺成為國際上重要的觀測點之一。

該天文臺由臺灣“中央”大學在1999年設立，目前由該校天文研究所管理。從2003年迄今，研究人員發(fā)表了約80余篇被SCI收錄的科學論文，發(fā)現(xiàn)小行星數(shù)量近400顆，其中有7顆取得正式編號，擁有命名權，當中已命名的三顆小行星分別叫“鹿林”、“中大”和“嘉義”，且在2007年首次由島內(nèi)的望遠鏡發(fā)現(xiàn)第一顆彗星“鹿林彗星”，創(chuàng)造臺灣首度發(fā)現(xiàn)彗星的紀錄。近年臺灣鹿林天文臺還與大陸中科院紫金山天文臺開展合作交流，雙方研究人員輪流在對方天文臺從事觀測研究。

臺灣“中央”大學天文研究所是臺灣最早成立的天文研究與教學單位，有工作人員約20人，現(xiàn)任所長黃崇源。該所天文教育與研究工作并重，并與美、德、英等國家的研究機構共同參與泛星計劃，受到國際天文學界矚目。目前該所正在籌劃建造新的2米天文望遠鏡，作為該?！鞍l(fā)展國際一流大學及頂尖研究中心計劃”的重點項目，建成后將成東亞最大的天文光學望遠鏡之一。

除“中央”大學外，臺灣大學、新竹清華大學、新竹交通大學、成功大學等高校也在開展有關天文及天體物理學方面的教學及研究，但主要側重基礎理論方面。

島內(nèi)最主要的天文研究機構無疑要數(shù)臺灣中研院天文及天文物理研究所（簡稱中研院天文所）。該所自1993年開始籌建，直到2010年6月才正式宣告成立，所址位于臺灣大學校區(qū)內(nèi)（天文數(shù)學館大樓內(nèi)），另在美國夏威夷設有辦事處。首任所長為賀曾樸，現(xiàn)有31位研究人員，包括特聘研究員4人，研究員5人，副研究員11人，助研究員11人，每年還有100多名訪問學者、博士后研究人員和海外科學家來所內(nèi)從事合作研究，主要研究方向包括河外天文學、恒星形成、星際與拱星介質（也稱原行星盤）、天文塵粒物理、高能天文物理、理論及觀測宇宙學、太陽系及系外行星系統(tǒng)、天文儀器安裝與測試等，每年均發(fā)表論文200余篇。

2004年，該所設立高等理論天文物理研究中心，最初位于新竹市清華大學校園內(nèi)，2013年遷至臺灣大學，目的是將天文物理研究與教學相結合，將研究成果整合融入島內(nèi)大學生及研究生的教育課程之中，培養(yǎng)下一代天文學家。自成立以來，該中心積極開展有關宇宙中恒星、行星、致密天體、星系等起源與演化問題的研究，包括流體動力學、磁流體動力學、天文化學、輻射轉移等數(shù)值模擬，每年均舉辦一期冬季/夏季短期課程、2到4次學術研討會或各種規(guī)模的主題式課程，同時積極邀約外國訪問學者造訪該所，舉辦學術研討會與短期培訓課程。

重點發(fā)展射電天文學

在天文及天體物理領域，臺灣自上世紀90年代開始，集中發(fā)展射電天文學及研發(fā)可見光與紅外線天文觀測儀器，努力打造一個射電天文儀器專業(yè)團隊，參加外國的一些天文觀測計劃，目前取得的研究成果包括：利用各種射電觀測數(shù)據(jù)繪制出超巨星獵戶的圖像；利用毫米波陣列研究恒星形成的各個階段，包括形成前的分子云狀態(tài)、無星體致密核的早期塌縮階段、中心密度極高的原恒星及大質量恒星的形成；探索無星體致密核，發(fā)現(xiàn)無星體高密度氣體云圖像與正在塌縮的含原恒星氣體凝聚物類似，但大小比正在塌縮的含原恒星氣體凝聚物大數(shù)十倍；利用日本野邊山毫米波陣列對鄰近恒星形成區(qū)域的原恒星殼層進行觀測，取得位于金牛座及蛇夫星座17個原恒星的高解析度資料，并發(fā)現(xiàn)其中11個星源中有塌縮運動；利用美國加州伯克利-伊利諾-馬里蘭三校聯(lián)盟毫米望遠鏡BIMA陣列，觀測原恒星系統(tǒng)NGC1333IRAS4，藉氫氰酸譜線追蹤分子噴流，發(fā)現(xiàn)在1個以上完整的循環(huán)后，噴流呈現(xiàn)周期性扭動型態(tài)；通過探測新恒星離子化氣體發(fā)出的毫米波發(fā)射線，研究處于生命階段早期的高質量恒星─超致密HⅡ區(qū)，以辨認年輕的高質量恒星形成區(qū)；觀測大麥哲倫星系內(nèi)的N113及小麥哲倫星系內(nèi)的LIRS36分子云；進行共振激發(fā)機制在星系盤中作用、星系核心盤、碟形系統(tǒng)的粒子動力學、星系電磁場、星系盤扭曲及星系中央氣體盤補充問題研究等。

1996年，當時尚處于籌建中的臺灣中研院天文所加入美國史密森天文臺的次毫米波陣列（SMA）計劃，在4000米高的夏威夷冒納基（（Mauna Kea）山上建造8座6米射電天線，其中兩座由臺灣出資建造。該設施是全世界第一個次毫米波干涉陣列射電天文望遠鏡，于2003年11月建成啟用，有4個觀測波段，其基線可到達509米，具備各種光譜儀器，特別適合觀測冷星際物質，可分析緊臨年輕或老年恒星的低溫云氣、形成恒星或行星的吸積盤，以及外星系中的恒星劇增區(qū)。自啟用以來，臺灣科學家已先后發(fā)表關于探測冥王星的衛(wèi)星卡戎、分析恒星周圍噴流、勘測恒星形成區(qū)域的磁場、研究鄰近星系的星系核，以及探測僅見于次毫米波段觀測的極高紅移星系等方面的論文。

2000年，臺灣中研院天文所與臺灣大學物理系及電機系合作，執(zhí)行“宇宙學與粒子天文物理學研究”計劃，由臺灣中研院與教育和科技主管部門共同資助，在夏威夷冒納洛峰（MaunaLoa）3，400米處建造宇宙微波背景輻射陣列射電望遠鏡（英文簡稱AMiBA，也稱“李遠哲宇宙背景輻射陣列”，見圖5），參加該計劃的還有澳大利亞國家天文臺以及其他外國大學。

這是第一座由臺灣主導、參與設計并興建的世界級天文觀測設施，由7個口徑0.6米的反射鏡組成，其建造工程包括設計制造及測試經(jīng)完全整合的單晶微波調(diào)諧混頻器、各種W頻段的低噪音放大器及具有17GHz頻寬的砷化鎵放大器、混波訊號源組及中頻訊號處理器，以及新型的六腳追蹤架、6米碳纖平臺、碳纖反射鏡、可開合的外罩等。臺灣磁震公司及中山科學院航空研究所等也參與了興建工程。

2006年10月，該觀測設備建成并正式啟用，利用電波望遠鏡中的干涉儀技術，測量宇宙微波背景輻射在95GHz的SZ（Sunyaev-Zeldovich）效應和極化。藉以探測宇宙大爆炸后殘余微波背景輻射（CMB）的分布，研究早期宇宙的結構，如一般物質、暗物質、與暗能量等的相對比例，也能藉由CMB光子的逆康普頓散射，探測并描繪遙遠的星系團。2007年至2008年間，該設施成功探測并描繪6個遙遠的星系團，并發(fā)現(xiàn)所偵測到的輻射轉弱特征與預測中星系團內(nèi)暗物質的分布情形相符。

2009年，該設施完成從7座0.6米鏡面升級為13座1.2米鏡面的升級擴建工程，使其觀測靈敏度改善了約60倍。目前已完成8個遙遠高紅移星系團的初步觀測，顯示其具有在波長3毫米處輻射較弱的特征，且與星系的距離無關。

為支持AMiBA探測到的高紅移星系團的后續(xù)觀測，臺灣科學家參與加拿大-法國-夏威夷望遠鏡（CFHT）上的廣角紅外相機（WIRCam）的研發(fā)建造計劃。該部相機有4組2048×2048像素窄禁帶半導體碲鎘汞探測器陣列，達到20×20角分的大廣角視野，可以進行大尺度的近紅外光成像普查，研究恒星形成、星系結構與演化、宇宙大尺度結構等。臺灣參了與相機設計的各個階段，著重于探測器的讀出電子裝置、探測器的測試、控制軟件以及分析用的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，臺灣中華電信研究所及玉晶光電公司共同進行低溫下感光元件的特性測試。

參加廣角紅外線相機研制計劃，為臺灣天文學家提供了許多使用加-法-夏3.6米望遠鏡的機會，也是臺灣首次獲得世界級大型天文光學望遠鏡的使用權。自2005年底成功地將廣角紅外線相機運送至加-法-夏望遠鏡之后，臺灣科學家繼續(xù)與CFHT機構合作研制下一代先進自適應光學儀器。此設備可補償大氣的模糊效應，為望遠鏡提供更銳利的圖像。臺灣方面負責研發(fā)新的CCD（電荷耦合元件）波前感應器。目前，臺灣科學家正繼續(xù)與加-法-夏望遠鏡機構合作研制下一代儀器——極化光譜儀（SPIROU），由臺灣方面負責研發(fā)新的圖像穩(wěn)定控制系統(tǒng)與導星相機系統(tǒng)，并合作研發(fā)科學相機，2015年開始啟用。

天文觀測成果

在可見光觀測方面，2002年臺灣中研院天文所、“中央”大學天文所與美國哈佛史密森天文物理中心及韓國延世大學合作開展“掩星觀測計劃”（TAOS），在鹿林天文臺使用4具口徑0.5米的小型光學望遠鏡，配有2048×2048像素的CCD相機，每晚在其3平方度的廣角視野內(nèi)，以每秒5次（2013年起改為每秒10次）的頻率監(jiān)測約1，000顆恒星，自動搜尋柯伊伯帶（臺灣稱古柏帶）天體對遠處背景恒星造成的掩星現(xiàn)象。全部4臺望遠鏡在2006年底全面建成并運行，迄今已獲得上億個光度測定數(shù)據(jù)，測量了柯伊伯帶、黃道離散天體及奧爾特云天體尺寸的分布。7年多的觀測結果對太陽系中直徑大于700米的柯伊伯帶天體數(shù)量設下了非常嚴格的上限，這與行星如何藉這些物體碰撞而形成的理論有很重要的關聯(lián)。

受限于這些小型光學望遠鏡的性能、鹿林山不佳的天候及大氣環(huán)境，因此臺灣中研院天文所決定進行掩星觀測的后續(xù)計劃——“海王星外自動掩星普查計劃”（TAOS-Ⅱ）不再在島內(nèi)進行，而是選定隸屬于墨西哥國家天文臺、海拔2，800米的圣多白祿天文臺作為新的臺址，目前正在興建3個口徑1.3米的新型光學望遠鏡，加上速度更快的相機，可以觀測到更多的掩星事件，比前一代在探測速率強100倍，能夠將太陽系可觀測的極限從100天文單位范圍推展至1，000天文單位范圍，以估計不同大小的海王星外天體的密度，這將有助于揭開太陽系如何形成之謎。

此外，自2008年起，臺灣中研院天文所與日本國家天文臺合作，負責為其設在夏威夷冒納基山的口徑8.2米的斯巴魯（Subaru，也稱昴宿星團）大型天文光學望遠鏡研制新一代高靈敏度超廣角可見光相機（HSC）。它是當時世界上最大的可見光數(shù)碼相機，總共有116片800萬像素的CCD元件緊密排列，可涵蓋1.5度的視野。2012年8月完成安裝后，比原有廣角相機的視野提高了7倍，可提供全球最高的整體觀測效率。其主要科學目標是對大范圍天區(qū)進行弱引力透鏡研究，5年內(nèi)觀測約2，000平方度，捕捉來自遙遠宇宙微弱天體信號，探測大天區(qū)星系團質量的整體分布（含一般物質與暗物質），檢驗出宇宙的切變，藉以探討暗能量、暗物質、宇宙加速膨脹等近代重大天文問題。憑藉參與該計劃，臺灣獲得了大規(guī)模巡天普查資料及斯巴魯其他儀器的使用權。

最近，臺灣中研院天文所與日本國立天文臺簽署合作備忘錄，雙方同意就該望遠鏡的下一步升級與開發(fā)繼續(xù)合作，共同研制包括主焦點光譜儀（PFS）在內(nèi)的多種先進可見光及紅外天文儀器，其中臺灣方面將負責研發(fā)主焦點光譜儀中兩項關鍵機械元件結構設計及整合。