成大山協OB&成大登山薪傳協會

此曲只應天上有──夏威夷大島天文台群參訪記(上)

高爺 100,07,24

美國夏威夷群島大島毛納基山（Mauna Kea）頂峰上的天文台群，孤懸在太平洋中央，四周有穩定的海洋溫度大氣、適宜的海拔高度絕少汙染光害，是世界少數觀測條件優良且交通方便的天文觀測地點。1967年設立天文園區，由夏威夷大學管理，四十多年來Mauna Kea已成為地球上進行天文觀測重要的陸上基地，對可見光、紅外線和次毫米波觀測都很理想，經由這些天文台的觀測所完成的科學研究和學術論文不計其數，對物理學、天文學、宇宙學的發展與貢獻無可比擬。中研院天文及天文物理研究所與美國合作，在此設立次毫米波陣列，長期努力研究，卓然有成，邀請國內天文教學老師前往參觀，機會實在難得。民國99年6月，經台北天文館副研究員張桂蘭小姐號召，蘇敬怡老師、黃翊展老師、郭妙霓老師與天文館志工羅敬華先生、施炫呈先生、廖呈祥先生、劉進旺先生以及年輕同好翊綸、若有、宣辰、導遊蘇克特先生與我共十三人幸運搭上這班天文列車。

千里迢迢遠渡太平洋

申辦護照美簽忙了一陣，六月二十七日在台北天文館開過行前說明會，提醒備足禦寒衣物、電池與記憶卡、預防高山反應藥物、帶筆電下載照片以及夜空拍攝要領等等。七月五日上午桃園機場韓航櫃台集合，中午先飛韓國仁川機場過境，轉往夏威夷歐胡島。仁川機場新穎寬敞頗受好評，大夥兒閒逛一回，自太平洋西岸去夏威夷要往東飛越八十經度，約有太平洋三分之二寬，跨過國際換日線。機上將就睡一會兒，睡不著的看到大洋日出，同日早上十點多抵達檀香山國際機場。當地導遊是台灣移民名叫雲飛，雲飛準備好新鮮蘭花花環，真有到夏威夷的fu，大家興高采烈戴上冰涼芬芳的花環，旅途疲勞似乎頓時消散。推著行李到一旁的國內機場，快速安檢後，換阿囉哈航空再飛往東南方的大島，右側窗戶略過Molokai、Maui諸島，大島也在望了，但今日山頂雲霧籠罩琵琶半遮。希羅（Hilo）機場落地領出行李，一件行李未到，問題不大登記即可。

一切都因這是火山島

乘小巴先到Imiloa Astronomy Center的Sky Garden Restaurant午餐，建築上方有三座大小不等鈦合金圓錐尖頂，看其尺寸比例距離方位，活脫脫就是大島三座主要火山（Mauna kea、Mauna loa、Hualalai）的意象。西式自助餐附沙拉吧，當然有著名的紫心蕃薯。下午先看彩虹瀑布（Rainbow Fall），溪水自西往東流，觀景台在東側，沒有彩虹，上午來才看得到，下回請早。步道台階與一旁駁坎全是密布細孔的黑色岩石，幾位地科老師立刻認出是玄武岩，這裏全島都是火山岩石嘛！蘇兄與雲飛也辨認出多種瀕海植物，一一解說它們與台灣近親的差異，跟在眾多老師身旁想不進步也難。

接著參觀火山國家公園，基勞亞（Kelauea）遊客中心，旁邊就是直徑約4Km的基勞亞火山口，深約165m，曾於1924、1971、1974、1983年噴發並流出熔岩。此處海拔1100m，已涼爽許多。中心內展品豐富活潑，包括長達2400公里夏威夷群島的形成原因、熱點（Hot Spot）

兩種隨處可見的熔岩──帕荷?荷?岩（Pahoehoe，1100～1200°C溫度較高流動性較佳表面較光滑且有繩紋）與啊啊岩（Aa，1000～1100°C溫度較低流動性較差表面破碎尖銳粗糙看似灰燼）。有一區敘述夏威夷是孤懸在太平洋中央的小群島，每一個物種能遷移到此都是一連串的偶然與奇蹟。紀念品商店櫃台前人人面帶笑容頗有收穫，庭院中告示牌介紹此地有州鳥──黃頸黑雁（nene），資料上說這胖嘟嘟的小肥鴨經常出現，我們卻無緣得見。對面Mauna Kea山頂穿出雲層，初見天文台群，大家興奮不已。

接著參觀附近的雨林區，樹蕨高大密生，熔岩管（Lava Tube）精彩，解說牌清楚敘述其成因，身歷其境親走一回，狀似緩坡隧道，斷面近圓形，平均直徑約三米，側面設置基本照明，頂部處處滴水，管內壁滿布橫紋，溫度較高的pahoehoe才會形成熔岩管。新式相機功能強大，熔岩管內光線雖暗效果仍佳，大家拍個不停，表情豐富樂此不疲。

趁傍晚夕陽，到黑沙灘一遊，捲起褲腳直接體驗太平洋海浪，相機紛紛獵取鏡頭。全島皆為火山岩，海灘自然為黑砂，但此處夾雜細碎橄欖石，夕陽下綠光閃閃晶瑩剔透，雲飛提醒此地傳說各島嶼的砂石有火山女神佩麗（Pele）的詛咒傳說，不可帶走，以免遭逢厄運……。繞回機場補領遲到的行李，天色漸暗，車子開到超市及餐廳，尚有片刻閒暇，大家在停車場上就地認起星星，這一團俱為認星高手，一口氣認出二三十顆亮星。在中餐廳用過晚餐，超市補充了觀星乾糧，入住飯店，好幾位團員又下來海邊庭院繼續觀星，草地密軟細浪拍岸，星光柔和氣氛浪漫，不久雲層合攏，收工休息。

第二天是重頭戲，要上Mauna Kea山頂，換上長褲包鞋，帶齊裝備，四輪傳動的小巴士繞過市區，經過夏威夷大學希羅分校，沿編號200號的鞍部公路（Saddle Road）往西，公路穿越大島最大最高的兩座山──休火山Mauna Kea（4207m，13796ft）活火山Mauna Loa（4169m，13679ft）之間的鞍部（2600m），我帶了氣壓式高度計，早上校正過，此時隨海拔不斷升高而報出500m、1000m、1500m……，但窗外仍是一片平坦，公路筆直，典型的盾狀火山（Shield Volcano）坡度甚小，與台灣山區公路必定彎曲截然不同，感覺很新鮮。公路雖直卻不平，縱看如波浪起伏，一公里內五六個均勻波峰，起初十分好奇，連連拍照，後來習以為常見怪不怪，一切都因這是火山島。

遊客資訊站

公路正在拓寬施工中，也許下回來就是四線大道了，兩旁俱為Aa熔岩，數十公里皆如此，資料顯示這是1855年噴發的熔岩流，已經有點風化並稀疏生長灌木草花。書上說，原住民光腳踩上尖銳粗糙的Aa熔岩，立刻發出啊啊叫聲並逃開，故而得名。看見右側山頂天文台群了，駕駛選了視野良好的寬敞處暫停，北眺Mauna Kea南望Mauna Loa，大家下車伸腿拍照。此行十三人中有六位帶單眼數位相機，俱是高檔器材，一路清脆快門聲響個不停，幸而數位時代只要記憶卡足夠不必謀殺底片。

丁字路口右轉不久，到了海拔2800m（9200ft）的遊客資訊站（Onizuka Visitor Information Station），Onizuka是夏威夷出生的太空人，1986年死於挑戰者號太空梭升空意外。這是一層平房，後方稍高處（9300ft）的天文學家中心則是在山頂工作的天文學家與技術人員住宿起居辦公之處，單層建築俱為咖啡色系，外表樸實無華，與環境融合。天文所SMA顏吉鴻先生在此等候，打過招呼後進入資訊站，屋簷角落放著幾架望遠鏡，直徑20~40公分不等，赤道儀、主鏡附件皆為高級品牌。大廳有影片介紹天文研究成果，各天文台的介紹資料令人目不暇給，凱克主鏡有一小片樣品在此展示，厚約八公分，文字說明它是用陶瓷與玻璃混合製造。最吸睛的便是牆上一排12面各國國旗，標示「The International Community of the Mauna Kea Observatories，當中就有一面我國國旗，在美英與法日之間。愉快的走向一旁的紀念品商店，T恤、外套、帽子、文具、玩具等都與天文有關，星象盤、書籍與各式紀等念品品質很好，血拼不手軟，桂蘭、敬怡、翊展、妙霓、炫呈都抱了不少出來，戰果豐碩。外頭矮牆石材照例是玄武岩，門口告示牌說明從此上山道路均無舖面，僅能行駛四輪傳動車，須防強風乾燥紫外線等惡劣天氣，冬天下雪結冰酷寒更危險，上山前在遊客資訊站至少停留半小時適應高度，入夜後不可停留山頂等。

雙子星天文台

午餐在天文學家中心，由SMA招待，簽名即可，桂蘭有高山反應沒精打采食不下嚥。餐後客廳小坐，雙子星天文台（Gemini Observatory）兩位接待人員作上山前的安全說明，介紹Gemini研究成果並贈送宣傳品，極其精緻美麗的印刷品與光碟，可見老美經費之多資源之豐。乘車上山，顛簸許多，高度迅速攀升，高度計像分針般移動，附近許多小型錐狀寄生火山盡入眼簾。搖晃一個小時，近山頂了，天空蔚藍陽光耀眼，出現十多座巨大天文台白色圓頂，大家都興奮起來，太帥了，越近越顯其巨大，彷彿來到泰坦巨人國度。

雙子星天文台是由美國、英國、加拿大、智利、巴西、阿根廷和澳洲等國共同合作建造，兩架望遠鏡分別位於南北半球，可以完全覆蓋整個天區，望遠鏡規格完全相同。夏威夷這座稱為北雙子望遠鏡，另一座位於智利海拔2722m的帕穹山（Cerro Pachon），稱為南雙子望遠鏡。2000年南北兩座先後完工啟用。圓頂側面全是巨大透氣窗高達10m，兩圈蓋板分往上下移動，成為外觀特徵。整個計劃耗資為1.84億美元，一座望遠鏡平均一晚就花費四萬美金。

進入雙子星天文台參觀，接待人員在走廊再做一回介紹，有女士出現高山反應，所幸此處設備完善，攜帶型氧氣瓶背上，休息一會兒就改善許多。規定要佩戴安全頭盔，我拿了一頂法國PETZL岩盔，電梯上樓，進入圓頂內，瞋目結舌的超大空間！走到望遠鏡下方，仰望巨大的經緯台（Altitude-azimuth mounted），望遠鏡是蓋賽格林式，主鏡的直徑為8.1m，厚度為20cm，裝有120個油壓調節器，主鏡表面鍍了在紅外波段具有良好反射能力的銀，Gemini是大望遠鏡中唯二鍍銀的。主鏡下是冷卻CCD與複雜的管線。Gemini裝有自適應光學系統（Adaptive Optics system，AO）與主動光學系統（Active optics system），是世界最先進的天文台。循台階再上一層，圓頂轟隆轉動，主鏡與次鏡筒也快速繞兩軸旋轉，一時間彷彿天旋地轉，其實地板沒動，只是圓頂內可見目標全在跑。冷氣強勁室溫約5°C，比外面冷的多，使望遠鏡白天與夜間維持相同溫度，減少脹縮變化。接待人員繼續介紹，大家問了一些望遠鏡建造與使用的問題。手中相機忙碌不停，景像實在太驚人了！隔著控制室門的玻璃窗瞧瞧，裏頭電腦螢幕排列成牆。也下樓看了厚實的混凝土基座，望遠鏡就穩定的站在這堅實的基礎上。一切都如此先進，全是世界頂尖的硬體與軟體，先進絕非偶然。

加法夏天文台

謝過Gemini人員，出門面對耀眼的陽光，上車，半分鐘抵達北側的加法夏天文台（Canada France Hawaii Telescope，CFHT），望遠鏡是蓋賽格林式，直徑3.6m，我們一到立即像芭蕾舞者一般擺頭轉動，讓我們細看主鏡與次鏡。加法夏由加拿大、法國與夏威夷大學合作建造，1979年啟用。雖然剛剛參觀過Gemini，加法夏看來仍是龐然大物，德式赤道儀中的叉式（Horseshoe）結構，現在來看，是比較資深的設計了。

波長接近可見光的紅外線稱為近紅外線，它與可見光非常相似，多數光學望遠鏡都能用於探測近紅外線。因此近紅外光譜通常視為可見光光譜的一部分，近紫外線也是一樣。由於地球大氣層中的水氣會強烈地吸收某些波段的紅外線，因此地基紅外望遠鏡必須建造在海拔高且非常乾燥的地點。紅外天文學有時也視為可見光天文學的一部份，因為反射鏡、透鏡等光學元件基本上都能用於紅外觀測。

中研院天文所自2002年起派員至加法夏參與廣角紅外線相機(Wide-field InfraRed Camera，WIRCam)之興建與製作。此一廣角紅外線望遠鏡是目前世界上規格最先進的計畫，提供超廣角(總視野可廣及20角分x20角分，解析度為0.3角秒/像素)的觀測並且同時具備高解析度。WIRCam採用了四片下一代太空望遠鏡(JWST)同型的晶片，完整的陣列組提供了等效於1600萬像素的高解析能力。大面積陣列的應用，最困難的一點是影像讀出速度與雜訊之間的取捨與及妥協。WIRCam的組件中包含一組影像穩定系統，同時也有具有即時導星的功能。可將強風、震動等因素導致的影像模糊加以修正，也可用來提高影像的解析力。中研院天文所參與加法夏望遠鏡建造的紅外線廣角相機WIRCam已完工啟用，將加法夏望遠鏡的廣角觀測能力，延伸到紅外線波段。

自適應光學系統是天文學家進行高解析度觀測的有利工具，早在2002年，加法夏就有升級自適應光學系統的計畫。FlyEyes是其中一個子計畫，最主要目的是：利用新一代的CCD晶片取代舊有的光電二極體偵測模組，這個模組最主要的功用是偵測光波的波前變化，作為自適應光學系統調整的參考。FlyEyes計畫自2005年開始，中研院天文所也參與FlyEyes的研發，最主要的貢獻在於：硬體介面規格制訂、偵測器系統及軟體設計、CCD晶片測試和自適應光學信號模擬。

凱克天文台（Keck Observatory）

從加法夏天文台出來，趕往西邊另一座小丘上的的凱克天文台，凱克由兩座相同的望遠鏡組成，相隔85m，底部建築相連共構，上頭兩座大白球。開放到下午四點，時間不多，趕緊進來凱克Ⅰ，這兒有一條遊客走廊，牆上有許多介紹圖片與文字，說明這是世界上口徑最大的光學/近紅外線望遠鏡，每座直徑均為10m，由36片直徑1.8m的六角形鏡片以蜂巢樣式組合而成。凱克Ⅰ和凱克Ⅱ還可以聯手作為凱克干涉儀，相隔85m的距離，使它們聯合作業時在特定方向上的解析力相當於直徑85m的單一望遠鏡。美國凱克基金會贊助了一億四千萬美金建造望遠鏡，故以其命名（註一）。歐美成功的企業家和有錢人會捐贈鉅款給學術界或贊助藝術文化等，在台灣這樣的風氣才開始不久。望遠鏡的使用時間由工作夥伴共同分享，加州理工學院、加州大學和夏威夷大學各自受理自家研究員的提案，NASA則接受來自全美國各地研究人員的提案，美國國家光學天文台（National Optical Astronomy Observatory，NOAO）受理來自世界各地的研究人員提案。窗台有本子，填上姓名及e-mail帳號，就會經常收到來自凱克的天文新知與活動訊息。

進來走廊旁的小玻璃屋，舉世聞名的巨大望遠鏡就矗立眼前，令人屏氣凝神。往上仰視，但見複雜的主鏡支撐桁架，架台採用經緯儀，資料說設計時運用大量電腦分析，故能用最少的金屬材料獲得最大的強度，每架望遠鏡的架台重量約為270噸，總重約為300噸，以如此尺寸之望遠鏡而言已是最輕的設計。凱克望遠鏡有安裝自適應光學系統，能夠補償大氣擾動的影響，鈉雷射信標使用的是經過強化處理，由鈉原子發射的589.2奈米波，能與在高度約90公里的中氣層內的天然鈉原子作用。這些鈉原子被激發後再發出的光，在擾動的大氣層之外多加一顆人造的黃橙鈉星，亮度約九等，位置在觀測目標附近，電腦有了參考點便可即時修正拍攝結果，也就能校正補償大氣擾動的影響了。凱克也有主動光學系統，觀測時聯結在電腦的感測器和控制系統，能調整每一鏡片和相鄰鏡片的位置，使其偏差小於4奈米。頻率是每秒調整兩次，可以矯正來自重力與環境的影響。

可惜圓頂窗戶未開光線稍暗，觀察位置較低，雖無法一窺全貌，但有緣親見巨鏡輕盈轉動，已是心滿意足。Mauna Kea山頂有十餘座天文台，只有凱克對一般遊客開放，不必申請不用登記，也唯凱克有清楚明顯的招牌，比較容易親近。門前空地俱為玄武岩碎石坡，向東仰望一整排天文台，夕陽中黃金巨球羅列，微風冷冽，天空清朗深藍，讓人一時分不清天上人間。

Mauna Kea山頂與夕陽

再回來加法夏天文台，這邊山頭較高，西向視野比凱克佳，外頭有拍不完的壯觀景象，西方有NASA紅外線望遠鏡（InfraRed Telescope Facility，IRTF）、凱克天文台、日本國立天文台速霸陸望遠鏡（SUBARU Telescope直徑8.2m，世界最大單一鏡片望遠鏡）、次毫米波陣列（SMA）8座天線、馬克思威爾望遠鏡（James Clerk Maxwell Telescope，JCMT）、加州理工次毫米波天文台（Caltech Submillimeter Observatory，CSO），南方有北雙子星天文台、夏威夷大學2.2m望遠鏡、英國紅外線望遠鏡（United Kingdom InfraRed Telescope，UKIRT）、夏威夷大學希羅分校0.6m教學望遠鏡。一共12座天文台分布在方圓一公里的數個山丘上（註二），這裏真是地球上最壯觀宏偉的天文台群！許多科學新知在此發現，我們悠遊在尖端知識的發源地，天文台像豪華的音樂廳，科學家完成的論文如音符跳躍流動，這裏是天文愛好者的聖殿。

Mauna Kea頂峰在天文台群東方巍峨，陽光漸斜，山頂顏色轉為暗紅帶金黃，要登頂就得把握機會，呼朋引伴之下，我在前頭，敬怡、蘇兄、翊綸、若有、宣辰共六人出列組隊攻山頭，禦寒衣帽備齊，一路縱隊沿Gemini東側邊坡小徑緩緩往下，左山右谷，岩石風化成細砂土，顏色均為深淺不等的咖啡色，下降約三十公尺到小鞍部，再直往上攻，小徑稍陡緩步上行，調勻呼吸深層吐納，在此高海拔不可魯莽狂奔，左側山坡滑溜直洩四千多公尺到達海邊毫無遮擋，海岸清晰長長山坡十分壯觀。此地原住民語Mauna是山，Kea是白雪，每年冬季山頭積雪盈盈。奮鬥十分鐘到達山頂（4207m，13796ft），山頂有美國國家地理測量局圓形水準測量標誌一片，過去雖曾多次攀登玉山、雪山、南湖大山、秀姑巒山等百岳群峰，站在更高的山頂也難掩激動之情。氣溫已降寒意透身，仍脫下外套秀一下成大山協的白色T恤。六人合照後戀戀不捨地下山回走，現在西向逆光欣賞這一排巨大圓頂，在夕陽中看實似虛恍若夢中。

再回加法夏，夥伴們在樓上小餐廳吃餅乾配泡麵。分批進入控制室，顏先生與工作人士細心介紹各項設備功能，算算牆上桌上共有廿餘座電腦螢幕，要觀察監看的事物不少。離開控制室，到圓頂外的陽台看日落與彩霞，環狀維修走道離地面約10m，視線完全不受遮蔽，最好的賞景包廂。可惜天邊彩雲稍多，遮住夕陽，沒機會看到傳說中的綠閃光，夥伴們紛紛取出三腳架拍攝美麗的晚霞。天空漸暗，金星火星土星都亮了，下山時間已到。