從0與1之間認識廣大宇宙

天文‧電腦
從0與1之間認識廣大宇宙
電腦科技對於天文學研究，扮演舉足輕重的角色，不論是觀測、模擬、星體演化研究，都需要大量的科技支援，由此我們才能對宇宙有更深遠的認識。
曾耀寰

一般人對天文學家工作的印象，不外乎在高山上的天文台裡頭，外頭寒風刺骨，方圓百里不見人煙，孤獨的天文學家專注精神、目不轉睛地對著一管長長的望遠鏡，耐著性子記錄天體運行的狀況。這是十七、十八世紀天文學家的工作紀實，當時沒有照相機，沒有電暖設備，天文學家只能將眼睛所看到的天體，盡可能詳實地描繪下來。

前「電腦」時代

1609 年，伽利略拿自製的望遠鏡，把月球表面描繪出來：高山、平原和谷壑在伽利略的筆下清楚顯現。伽利略還連續好幾天記錄太陽表面的黑斑（太陽黑子），進而了解這些黑斑並非正好行經太陽的內行星，而是長在太陽的表面。此外，由於太陽黑子會隨著太陽表面移動，所以伽利略能據此推測太陽的自轉運動。

1845 年，羅斯爵士用自製的望遠鏡首次看到螺旋星雲M51（現稱做螺旋星系，圖一），並手繪下來。羅斯爵士的發現，可能就是畫家梵谷名作〈星夜〉（starry night）的靈感。

在同一時期， 法國藝術家達蓋爾（Louis-Jacques-Mandé Daguerre），接續了另一位法國藝術家尼普斯（Joseph Nicephore Niepce）的攝影技術，發展出達蓋爾攝影術，可以在敷有銀的銅版上記錄光的訊號，就像現在的傳統照相機，透過物質與光之間的化學反應，將影像記錄在照相底片一樣。

1 8 4 0 年英國化學家德雷柏（John William Draper）首先將攝影術應用到天空，經過長達20 分鐘的曝光，成功拍攝到月亮的模糊照片，這也是人類首張成功拍攝到的天文照片（圖二）。雖然一開始照相的效果並不理想，經過長期改良，逐漸成為天文學家記錄天體訊號的主要工具。

進入數位時代

1969 年兩名美國貝爾實驗室研究人員設計出電荷耦合元件（簡稱CCD）的基本架構及操作原理（參見《科學月刊》2009 年3 月號）， CCD是一種將光轉換成電的電子儀器，基本原理是和光電效應有關，當光子打到半導體晶片上，會有一些電子得到光子的能量而逃離出來，逃脫的電子數量是和光的強度有關，只要把逃脫的電子數量記下來，便可以得到光的強度。因此我們可以說CCD 是一種記錄光的偵測器。不過，有個和照相底片不同之處，就是我們可以透過CCD 得到電訊號，如此一來，照相攝影便進入數位化時代。

1973 年第一台商業用CCD問世，解析度只有100 × 100 畫素。1974 年，透過20公分口徑望遠鏡，天文學家得到首張月亮的數位照片， 1979 年美國基特峰天文台，引進320×512畫素的CCD照相機，天文觀測正式進入數位時代。

天文學進入數位時代是不可避免的，二十一世紀的天文觀測不再只是想像中的以管窺天，地面上單一可見光望遠鏡的口徑已達10 公尺，天文學家沒辦法單靠人力操控望遠鏡，也不再將眼睛貼在望遠鏡的目鏡前頭，直接觀察天象。

事實上，現今的天文觀測者，是坐在配有空調系統的控制室內，控制室裡頭放了一排排的電腦，天文學家坐在電腦前面，將星星在天球上的位置鍵入，藉由自動馬達的帶動，遙控巨大的望遠鏡，當望遠鏡對準目標後，再接著在電腦螢幕前下達指令，透過CCD 將通過望遠鏡的星光記錄下來。有時天文學家甚至不需要坐在天文台的控制室內，只要透過網際網路的連接，就可以在遠端電腦前下指令，進行天文觀測。藉由電腦的自動控制，不僅是天文觀測，在其他科學領域也都有類似的應用。

數位資料的校正

CCD 記錄資料之後，天文學家還要分析資料，在分析之前，資料的校正是非常關鍵的。為了要得到「乾淨」的資料，一些會擾亂資料純淨度的雜訊都需要被去除，例如天空中背景光的干擾、接收設備本身溫度所帶來的雜訊，這些動作都經由天文學家將處理步驟寫成電腦程式，讓電腦遵照程式將資料「純化」。之後再從資料當中，分析出有用的訊息，解釋望遠鏡所看到的現象。




參考資料：
http://scimonth.blogspot.tw/2009/10/01.html