在臺灣扎根的日本人系列:「和Made In Taiwan一起探究黑洞之謎」ーー天文學者 松下聰樹

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現今的臺灣,擁有世界頂尖的無線電波天文學研究和觀測裝置開發技術。此發展過程,可說是和松下聰樹在臺灣的生活共同成長的。筆者訪問松下並記下了松下代表臺灣參加黑洞觀測等世界級天文計畫的足跡。

小學時就夢想成為天文學者

松下在小學3年級和4年級那兩年,因物理學家的父親的工作因素,住在紐約,在當地的學校就讀。當時的學校裡有理科專任老師,理科教室還有一座小星象儀。

「理科課程都是天文的內容,怎麼樣都聽不膩。在1980年代初期,是無人探測器航海家1號和2號掀起話題的時代,企業號太空梭也在當時發射成功。之後,我回到日本,就讀仙臺的小學,還記得我在畢業文冊裡寫了將來的夢想是當天文學者。」

升上國中後,松下的父親介紹仙臺市天文臺長小坂由須人給他,隨即和同學一起加入了仙臺天文同好會。他們會在每週六固定聚會,從天文臺18點閉館後到隔天凌晨3點,觀測整晚的月球表面、流星、星雲、星團等等,尤其是當時很接近地球,風靡一時的哈雷彗星,讓他非常著迷,有時還會在天文臺的天象儀地上鋪睡袋過夜。就這樣混在愛好天文的大人們間,學會了很多星際知識和操作望遠鏡的技術。

「但除了理科以外的科目,我幾乎都提不起興趣,包括以國文為首的文科聯考必修科目全都很弱。不過,為了成為天文學者,我傾注全力發憤圖強,參加大學考試。」

松下重考了一年,考上東北大學理學部天文學系,在專攻無線電波天文學的石附澄夫助教(當時)身邊學習。之後他又進入東北大學研究所的碩士課程,因石附老師調到長野縣野邊山的國立天文臺,他也因此搬去野邊山居住。

碩士畢業後,他進入總合研究大學院大學進修博士課程,留在野邊山繼續深造。在那裡,他除了觀測系外銀河(銀河系以外的銀河),也徹底學到了無線電波干涉儀的構造(一種無線電波望遠鏡。將複數小型無線電波望遠鏡組合起來,取得單一機型無法實現的巨大無線電波望遠鏡等價的解析力),並徹底習得實際觀測和疑難排解檢修知識技術。松下不只在研究上有一番成就,在設置觀測器也有卓越的表現。

在2000年到2003年松下的博士後研究期間(研究所博士後期課程結束後,所賦予的定期研究職位),他一邊擁有哈佛.史密松天體物理中心的學籍,一邊參與建設夏威夷島茂納凱亞山世界第一座亞毫米波(波長低於1釐米)無線電波干涉儀SMA(Submillimeter Array)。SMA由8臺口徑6公尺的無線電波望遠鏡組成,做為觀測用的無線電波干涉儀。

在這項計畫裡,有個工作是把組合後的裝置開發到能進行科學觀測的狀態,他們將此工作派給在專業研究和設置觀測器等領域都能勝任的松下。其中,SMA的8臺無線電波望遠鏡中有2臺是臺灣製造的,松下其實可以說是在夏威夷時就與臺灣意外結緣了。

抓住臺灣提供的機會

臺灣的無線電波天文學研究,原本與世界水準差距甚大。但是1990年代中央研究院表明參加SMA計畫後,臺灣製造商就收到了SMA專用的無線電波望遠鏡訂單。雖然臺灣的工廠只需要按照美國所提供的設計圖製作就好,卻也因此獲得了這個領域最先進的技術。

不過,當時臺灣的無線電波天文學領域研究員明顯不足,得請開發過SMA,成績顯著的松下前往臺灣支援,這也是臺灣當時的實情。

「當時日本的後期研究員名額和科學研究預算已達上限,臺灣在這個領域上正在快速發展,研究環境也完備優良,對我自己來說真是求之不得的機會。若在臺灣的研究所研究,就能不受其他原因延宕,順利進行SMA觀測資料的解析。另外,臺灣跟日本一樣都在亞洲,生活方便也是吸引我的原因之一。」

因此,松下從2003年開始了他在臺灣國立綜合研究機構.中央研究院天文及天文物理研究所的博士後研究。原為哈佛.史密松天體物理中心指導教官的賀曾樸(Paul Ho)也同時來到臺灣,成為此研究所的所長。能跨越海洋來到臺北研究中心與以前的上司再次相遇讓松下非常驚訝,也深深感受到臺灣為了確保這個領域的人才花了很多精力。

擔任巨大假想無線電波望遠鏡計畫的臺灣代表

2000年代後半,SMA的次世代型電波干涉儀ALMA(Atacama Large Millimeter/submillimeter Array)被設在標高5000公尺的智利阿塔卡馬沙漠。雖為美歐日共同進行的計畫,但臺灣對美國和日本各出資5%,得以副成員身分參與建設。

ALMA由50臺口徑12公尺的無線電波望遠鏡構成。規模為SMA的25倍以上。松下在2010年到2011年親自飛去智利,做了一年半的開發。最後終於讓他親眼見證無線電波望遠鏡干涉儀實驗成功,直到其首次出現能夠運用至科學觀測的階段。


口徑12公尺的ALMA無線電波望遠鏡和松下聰樹先生

接著在2012年,松下參與甚長基線干涉儀VLBI(Very Long Baseline Interferometer)的運行計畫,幫忙設置格林蘭望遠鏡(Greenland Telescope、以下稱GLT)。


為觀測天文,松下聰樹先生將掃去在GLT鏡面上的殘雪

「基線」指的是構成無線電波干涉儀的無線電波望遠鏡之間的距離,基線越長,望遠鏡的解析度越高。夏威夷的SMA的最長基線約為500公尺,智利的ALMA約為16公里。

在格林蘭新設置的GLT,則與SMA、ALMA等世界各地的無線電波望遠鏡相連,作為VLBI,擔任巨大假想無線電波望遠鏡計畫中重要的一環。此假想無線電波望遠鏡的「基線」距離,最長可達約9000公里,也被稱為「甚長基線」,相當於地球直徑(1萬2740公里)的70%。

另外,運用此巨大假想無線電波望遠鏡,拍攝射手座A*和M87黑洞,推動解開這些宇宙奧秘的是國際組織.事件視界望遠鏡(Event Horizon Telescope、以下省略為「EHT」)。EHT由350位世界各地的研究員組成,臺灣約有50位參加,松下則被選為臺灣代表。

「這個計畫的成功,代表能夠建構與地球一樣大小的巨大無線電波望遠鏡。解析度也會飛躍般的提高,我們已快逼近解開神秘黑洞境界的那一天。」

之後,松下持續研究開發,直到2017年的12月,他與同事被派去暫時放置GLT的格林蘭美軍圖勒空軍基地。在零下30度的急凍之地,松下只用2個月的驚人速度,就把GLT整備到可以做科學觀測的狀態。在此我要特別強調一下,臺灣這20年所累積的技術,也被運用在這個超耐寒型的無線電波望遠鏡上。


松下聰樹先生抵達將來移設GLT的格林蘭山頂的基地

在臺灣的第19年研究生活

在過了1年半後的2019年4月10日,也是天文學和物理學上歷史性的一天。EHT運用VLBI技術蒐集到龐大的數據,並經由解析後,成功拍攝到M87巨大黑洞的影子,於4月10日公布影像。東京、臺北、上海、華盛頓DC、布魯塞爾、聖地亞哥這6個分布在世界各地的城市同時召開記者會,這件事情瞬間傳遍了全世界。這一路上不斷擔負起SMA、ALMA、GLT等新計畫的松下,可說是這項成就的主要功臣之一。

「照片上的橘色部分是黑洞的邊緣,狀熱的電漿已被解析成可看見的影像。可以推論黑洞的邊緣,有著電漿掉進黑洞境界時的成分,還有經過磁力向外釋放時的成分。接下來的課題,是要將GLT移至格林蘭山頂,提高解析度,並一一分解這些空間進行研究。」


和黑洞拍照的松下聰樹先生。2019年4月10日,世界同步記者會後的照片

松下即將迎接他在臺灣的研究生活的第19個年頭,在臺灣所做的無線電波天文學研究與其技術,都擁有世界頂尖級的水準。他表示,期望今後有更多的臺灣人能夠了解這些天文相關的事,並同時表示,身為拿著臺灣人繳納的稅金做研究的一人,常常思考如何能用自己的研究回饋給臺灣社會。

「臺灣製造商以10年、20年為單位,持續為我們製作觀測設備,給予我們的研究非常大的支持。這些計畫不僅讓臺灣製造商有了每年1億臺幣的商機,還因為能累積很多技術,使Made In Taiwan的實力能讓世界有目共睹。可以說這幾年我們不只在研究上有所成就,還實際上將成果以此種方式回饋給臺灣社會。」

松下在今後,應該還會繼續率領團隊,做出讓我們驚豔的計畫吧。少年時期也對天文很著迷的我,很期待下次能再繼續更新視「辛苦也是樂趣」的松下,談論他的天文冒險續篇。(省略稱謂)

圖片全由松下聰樹先生提供。

本系列到此結束。

標題圖片:松下聰樹先生右側的無線電波望遠鏡為SMA。位於夏威夷島的茂納凱亞山頂。其中兩臺為Made in Taiwan。

馬場克樹 [作者簡介]

創作型歌手、演員、文字工作者。出生於日本仙臺市。2012年移居臺灣後,組成台日創作樂團「八得力(Battery)」擔任主唱與木吉他手,歌曲代表作有電影《逆光飛翔》的主題曲——《很靠近海》,由金曲歌后蔡健雅演唱。作為演員,在不少台灣電影、電視劇、舞台劇、廣告裡都能看到他的身影,例如2020年獲得5座金馬獎的電影《消失的情人節》裡飾演和尚。