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天体物理学论文参考文献：
台湾天文学及天体物理学研究现状（上）
刘雨 蔡金刚
主要观测及研究机构
天文学及天体物理学研究分为实际天文观测与理论分析探讨两大类.由于台湾岛内缺少独立建造大型天文望远镜的经济和技术能力,以及当地岛屿环境导致温湿潮热多云的的地理气候条件不适宜开展天文观测,因此除在嘉义鹿林山上建有4座口径仅50厘米的小型天文望远镜和一具1米口径的中型天文望远镜外,其余观测设备都是通过在外国与其他天文台或天文国际组织合作建造的方式来取得,包括位于美国夏威夷冒纳基山的次毫米波阵列射电望远镜和宇宙微波背景辐射阵列射电望远镜,以及位于格陵兰的12米射电望远镜和目前正在建造中的位于智利阿塔卡玛沙漠的大型毫米波及次毫米波阵列射电望远镜,台湾都只是众多参与者之一,仅拥有这些天文观测设施的部分使用权力.
鹿林天文台位于嘉义县阿里山乡及南投县信义乡交界处,地处玉山公园之内,海拔2,862米,位于逆温层之上,光害和尘害较小.由于纬度低,接近赤道,可以观测到较宽广的范围,包括日本、韩国等国家观测不到的南半球天体.尤其是沿着夏威夷的大天文台,向西到台湾,中间没有任何观测站,因此鹿林天文台成为国际上重要的观测点之一.
该天文台由台湾““大学在1999年设立,目前由该校天文研究所管理.从2003年迄今,研究人员发表了约80余篇被SCI收录的科学论文,发现小行星数量近400颗,其中有7颗取得正式编号,拥有命名权,当中已命名的三颗小行星分别叫“鹿林”、 “中大”和“嘉义”,且在2007年首次由岛内的望远镜发现第一颗彗星“鹿林彗星”,创造台湾首度发现彗星的纪录.近年台湾鹿林天文台还与大陆中科院紫金山天文台开展合作交流,双方研究人员轮流在对方天文台从事观测研究.
台湾“”大学天文研究所是台湾最早成立的天文研究与教学单位,有工作人员约20人,现任所长黄崇源.该所天文教育与研究工作并重,并与美、德、英等国家的研究机构共同参与泛星计划,受到国际天文学界瞩目.目前该所正在筹划建造新的2米天文望远镜,作为该校“发展国际一流大学及顶尖研究中心计划”的重点项目,建成后将成东亚最大的天文光学望远镜之一.
图1位于台湾玉山顶端的鹿林天文台
除“”大学外,台湾大学、新竹清华大学、新竹交通大学、成功大学等高校也在开展有关天文及天体物理学方面的教学及研究,但主要侧重基础理论方面.
岛内最主要的天文研究机构无疑要数台湾中研院天文及天文物理研究所（简称中研院天文所）.该所自1993年开始筹建,直到2010年6月才正式宣告成立,所址位于台湾大学校区内（天文数学馆大楼内）,另在美国夏威夷设有办事处.首任所长为贺曾朴,现有31位研究人员,包括特聘研究员4人,研究员5人,副研究员11人,助研究员11人,每年还有100多名访问学者、博士后研究人员和海外科学家来所内从事合作研究,主要研究方向包括河外天文学、恒星形成、星际与拱星介质（也称原行星盘）、天文尘粒物理、高能天文物理、理论及观测宇宙学、太阳系及系外行星系统、天文仪器安装与测试等,每年均发表论文200余篇.
2004年,该所设立高等理论天文物理研究中心,最初位于新竹市清华大学校园内,2013年迁至台湾大学,目的是将天文物理研究与教学相结合,将研究成果整合融入岛内大学生及研究生的教育课程之中,培养下一代天文学家.自成立以来,该中心积极开展有关宇宙中恒星、行星、致密天体、星系等起源与演化问题的研究,包括流体动力学、磁流体动力学、天文化学、辐射转移等数值模拟,每年均举办一期冬季／夏季短期课程、2到4次学术研讨会或各种规模的主题式课程,同时积极邀约外国访问学者造访该所,举办学术研讨会与短期培训课程.
重点发展射电天文学
在天文及天体物理领域,台湾自上世纪90年始,集中发展射电天文学及研发可见光与红外线天文观测仪器,努力打造一个射电天文仪器专业团队,参加外国的一些天文观测计划,目前取得的研究成果包括：利用各种射电观测数据绘制出超巨星猎户的图像；利用毫米波阵列研究恒星形成的各个阶段,包括形成前的分子云状态、无星体致密核的早期塌缩阶段、中心密度极高的原恒星及大质量恒星的形成；探索无星体致密核,发现无星体高密度气体云图像与正在塌缩的含原恒星气体凝聚物类似,但大小比正在塌缩的含原恒星气体凝聚物大数十倍；利用日本野边山毫米波阵列对邻近恒星形成区域的原恒星壳层进行观测,取得位于金牛座及蛇夫星座17个原恒星的高解析度资料,并发现其中1 1个星源中有塌缩运动；利用美国加州伯克利伊利诺马里兰三校联盟毫米望远镜BIMA阵列,观测原恒星系统NGC13331RAS4,藉氢氰酸谱线追踪分子喷流,发现在1个以上完整的循环后,喷流呈现周期性扭动型态；通过探测新恒星离子化气体发出的毫米波发射线,研究处于生命阶段早期的高质量恒星一超致密HⅡ区,以辨认年轻的高质量恒星形成区；观测大麦哲伦星系内的N113及小麦哲伦星系内的LIRS36分子云；进行共振激发机制在星系盘中作用、星系核心盘、碟形系统的粒子动力学、星系电磁场、星系盘扭曲及星系气体盘补充问题研究等.
图2台湾参加美国次毫米波阵列(A)计划,出资在夏威夷冒纳基《Mauna Kea)山建造两座6米射电天文望远镜天线.
1996年,当时尚处于筹建中的台湾中研院天文所加入美国史密森天文台的次毫米波阵列(A)计划,在4000米高的夏威夷冒纳基《Mauna Kea)山上建造8座6米射电天线,其中两座由台湾出资建造.该设施是全世界第一个次毫米波干涉阵列射电天文望远镜,于2003年11月建成启用,有4个观测波段,其基线可到达509米,具备各种光谱仪器,特别适合观测冷星际物质,可分析紧临年轻或老年恒星的低温云气、形成恒星或行星的吸积盘,以及外星系中的恒星剧增区.自启用以来,台湾科学家已先后发表关于探测冥王星的卫星卡戎、分析恒星周围喷流、勘测恒星形成区域的磁场、研究邻近星系的星系核,以及探测仅见于次毫米波段观测的极高红移星系等方面的论文.
2000年,台湾中研院天文所与台湾大学物理系及电机系合作,执行“宇宙学与粒子天文物理学研究”计划,由台湾中研院与教育和科技主管部门共同资助,在夏威夷冒纳洛峰(MaunaLoa)3,400米处建造宇宙微波背景辐射阵列射电望远镜（英文简称AMiBA,也称“李远哲宇宙背景辐射阵列”,见图5),参加该计划的还有澳大利亚国家天文台以及其他外国大学.
这是第一座由台湾主导、参与设计并兴建的世界级天文观测设施,由7个口径0.6米的反射镜组成,其建造工程包括设计制造及测试经完全整合的单晶微波调谐混频器、各种W频段的低噪音放大器及具有17GHz频宽的砷化镓放大器、混波讯号源组及中频讯号处理器,以及新型的六脚追踪架、6米碳纤平台、碳纤反射镜、可开合的外罩等.台湾磁震公司及中山科学院航空研究所等也参与了兴建工程.
2006年10月,该观测设备建成并正式启用,利用电波望远镜中的干涉仪技术,测量宇宙微波背景辐射在95GHz的SZ (Sunyaev-Zel´dovich)效应和极化.藉以探测宇宙大爆炸后残余微波背景辐射(CMB)的分布,研究早期宇宙的结构,如一般物质、暗物质、与暗能量等的相对比例,也能藉由CMB光子的逆康普顿散射,探测并描绘遥远的星系团.2007年至2008年间,该设施成功探测并描绘6个遥远的星系团,并发现所侦测到的辐射转弱特征与预测中星系团内暗物质的分布情形相符.
2009年,该设施完成从7座0.6米镜面升级为1 3座1.2米镜面的升级扩建工程,使其观测灵敏度改善了约60倍.目前已完成8个遥远高红移星系团的初步观测,显示其具有在波长3毫米处辐射较弱的特征,且与星系的距离无关.
为支持AMiBA探测到的高红移星系团的后续观测,台湾科学家参与加拿大一法国一夏威夷望远镜(CFHT)上的广角红外相机(WIRCam)的研发建造计划.该部相机有4组2048×2048像素窄禁带半导体碲镉汞探测器阵列,达到20x20角分的大广角视野,可以进行大尺度的近红外光成像普查,研究恒星形成、星系结构与演化、宇宙大尺度结构等.台湾参了与相机设计的各个阶段,着重于探测器的读出电子装置、探测器的测试、控制软件以及分析用的数据处理系统,台湾中华电信研究所及玉晶光电公司共同进行低温下感光元件的特性测试.
参加广角红外线相机研制计划,为台湾天文学家提供了许多使用加一法一夏3.6米望远镜的机会,也是台湾首次获得世界级大型天文光学望远镜的使用权.自2005年底成功地将广角红外线相机运送至加法夏望远镜之后,台湾科学家继续与CFHT机构合作研制下一代先进自适应光学仪器.此设备可补偿犬气的模糊效应,为望远镜提供更锐利的图像.台湾方面负责研发新的CCD（电荷耦合元件）波前感应器.目前,台湾科学家正继续与加一法一夏望远镜机构合作研制下一代仪器
极化光谱仪(SPIROU),由台湾方面负责研发新的图像稳定控制系统与导星相机系统,并合作研发科学相机,2015年开始启用.
天文观测成果
在可见光观测方面,2002年台湾中研院天文所、“”大学天文所与美国哈佛史密森天文物理中心及韩国延世大学合作开展“掩星观测计划”(TAOS),在鹿林天文台使用4具口径0.5米的小型光学望远镜,配有2048 x2048像素的CCD相机,每晚在其3平方度的广角视野内,以每秒5次(2013年起改为每秒10次)的频率监测约1,000颗恒星,自动搜寻柯伊伯带（台湾称古柏带）天体对远处背景恒星造成的掩星现象.全部4台望远镜在2006年底全面建成并运行,迄今已获得上亿个光度测定数据,测量了柯伊伯带、黄道离散天体及奥尔特云天体尺寸的分布.7年多的观测结果对太阳系中直径大于700米的柯伊伯带天体数量设下了非常严格的上限,这与行星如何藉这些物体碰撞而形成的理论有很重要的关联.
受限于这些小型光学望远镜的性能、鹿林山不佳的天候及大气环境,因此台湾中研院天文所决定进行掩星观测的后续计划
“海王星外自动掩星普查计划”(TAOS-II)不再在岛内进行,而是选定隶属于墨西哥国家天文台、海拔2,800米的圣多白禄天文台作为新的台址,目前正在兴建3个口径1.3米的新型光学望远镜,加上速度更快的相机,可以观测到更多的掩星事件,比前一代在探测速率强100倍,能够将太阳系可观测的极限从100天文单位范围推展至1,000天文单位范围,以估计不同大小的海王星外天体的密度,这将有助于揭开太阳系如何形成之谜.
此外,自2008年起,台湾中研院天文所与日本国家天文台合作,负责为其设在夏威夷冒纳基山的口径8.2米的斯巴鲁(Subaru,也称昴宿星团)大型天文光学望远镜研制新一代高灵敏度超广角可见光相机(HSC).它是当时世界上最大的可见光数码相机,总共有116片800万像素的CCD元件紧密排列,可涵盖1.5度的视野.2012年8月完成安装后,比原有广角相机的视野提高了7倍,可提供全球最高的整体观测效率.其主要科学目标是对大范围天区进行弱引力透镜研究,5年内观测约2,000平方度,捕捉来自遥远宇宙微弱天体信号,探测大天区星系团质量的整体分布（含一般物质与暗物质）,检验出宇宙的切变．藉以探讨暗能量、暗物质、宇宙加速膨胀等近代重大天文问题.凭藉参与该计划,台湾获得了大规模巡天普查资料及斯巴鲁其他仪器的使用权.
最近,台湾中研院天文所与日本国立天文台签署合作备忘录,双方同意就该望远镜的下一步升级与开发继续合作,共同研制包括主焦点光谱仪(PFS)在内的多种先进可见光及红外天文仪器,其中台湾方面将负责研发主焦点光谱仪中两项关键机械元件结构设计及整合.
图3 台湾科学家利用A射电天文望远镜,获得棒旋星系NGC1097中心星剧增的高解析图,发现星系中心包含了数个独立的巨大分子云团,并首度证实这些巨大分子云团是因为棒旋结构重力不稳,分子气体由星剧增环上流泄出去所形成的.这些大质量、气体密度极高的分子云是恒星诞生材料的来源.
图4 高红移星系的数量及分布情形是建立宇宙演化模型的一个重要考虑.台湾科学家利用A观测位于GOODs天区被尘埃掩蔽的遥远星系时,发现了其中包含数个各自独立的星系.通过计算各区域内的星系数量,即可得知星系的分布情形.
图5 位于夏威夷冒纳洛山的宇宙微波背景辐射阵列射电望远镜A,也称“李远哲宇宙背景辐射阵列”.
6台湾中研院天文所出资,在墨西哥圣多白禄天文台兴建3个口径1.3米的新型光学望远镜,双方共同开展“海王星外自动掩星普查计划”(TAOS- II),计划从2016年开始取得观测资料.
图7 台湾科学家通过掩星观测计划(TAOS),测量柯伊伯带天体尺寸的分布.
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