【人物專訪20】宇宙的過去與未來?揭開星系演化之謎──專訪第十六屆台灣傑出女科學家獎新秀獎得主林俐暉

by Yang-Kuang Chao
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採訪 ‧ 撰稿  /  鄭凱菱 (科學推展中心特約編輯)

「天文」一詞最早見於《易經》:「觀乎天文,以察時變。」自古以來,人類對星空之上的好奇心,幾乎等重於對生命意義的追尋。究竟,在那片伸手無法觸及,肉眼無法分析的宇宙裡有哪些奧秘?星系的型態是如何生成、轉變?且聽多年來致力於研究星系演化的中研院天文及天文物理研究所研究員林俐暉博士娓娓道來。

參與艋舺計畫,首次深入了解星系結構

林俐暉博士是第一位獲得台灣傑出女科學家獎的天文學家,也是目前在國際天文學界非常活躍於參與計畫的臺灣學者。2014 年到 2020 年間,她投身於艋舺計畫(Mapping Nearby Galaxies at APO,簡稱 MaNGA)中,這是史隆數位巡天計畫(Sloan Digital Sky Survey,簡稱 SDSS)當中的一個子計畫。

SDSS 是天文史上首次蒐集大量星系光譜資料的計畫,透過測量一百萬個星系的光譜,正式開啟星系統計的紀元。但是由於光纖大小有限,這樣的觀測做法,其實只能量測到每個星系中心一小部分的資訊,對於星系如何演化與形成的了解仍是相當有限。因此在第四代SDSS的艋舺計畫,他們決定採取一個不同的方式。

有別於過往一次觀測一百萬個星系,艋舺計畫團隊僅挑選出 1 萬個較具有代表性的星系出來觀測。將過往分散於大量觀測的光纖重新配置,集中於少部分的星系中,每個星系有數十到數百個區域的獨立觀測,因此能更完整地獲得每個星系各個結構的光譜資料。如此一來,對於星系的組成都有了更深入的了解。

林俐暉博士舉例:「其實星系每個位置的顏色看起來會有點不同,比較黃的部分就代表它黃光比較多,類似我們太陽的成分,也代表它的恆星組成是年紀比較大的。比較偏藍色的部分,就表示那裡的恆星比較年輕。」透過取得星系中不同區域的光譜,更細節地去了解一個星系裡面,不同的地方發生了哪些不一樣的事情,這就是艋舺計畫跟過往大型觀測計畫最大的差異,也是當時林俐暉博士想參與的原因。

揭開星系演化之謎的宇宙生物學家

林俐暉博士主攻的題目是星系演化,整個宇宙的星系可以大略依照外型來分類,但是星系的型態是如何產生?星系與星系之間是否有演化關係?抑或是獨立形成?這些問題都是林俐暉博士的研究範疇。可以說「解開星系演化之謎」,就是她最終的目標。

目前在星系演化的研究領域已有個共識,她分享道:「星系的型態和它們所在的環境很有關係。星系之間比較疏散的地方,大多是具有螺旋臂膀的星系,譬如銀河系就是其一。而在密度環境比較大的地方,大部分是橢圓星系。」因此,從這個基礎往上延伸,林俐暉博士正在探討的方向有二,一是若擁擠環境中,兩個星系相撞了,會產生怎麼樣的星系演化?二則是當星系處在星系團裡面的時候,會有哪些效應產生?

透過觀測與模擬雙管齊下,能更全面性地了解星系兩兩之間的交互作用與物理現象,再對星系的演化推展出合理的結論,雖然是天文學者,她的整個研究脈絡卻猶如記載宇宙生態的生物學家。

了解星系演化為得是拯救全人類…嗎?

忍不住要問句老實話,研究星系演化為得是在太空中找到另一個地球,好讓世界末日時人類有地方搬家嗎?「目前要從星系研究切入到人類的未來還有很大的距離。」林俐暉博士直言,「因為星系研究的尺度非常大,光是本銀河系裡就有千億個恆星,整個宇宙又有千億個星系。」宇宙之大,加上星系的演化時程長,因此要從這個點跳到推論人類未來的命運,以現階段來說,這距離恐怕是搭火箭也到不了。

不過,在了解星系演化的研究中,仍是會獲得許多概念可以應用或推想於實際,但回到最初探究星系的動機,其實更單純一點,「因為我們居住在本銀河系裡面。」林俐暉博士如是說。概念類似日本登山家植村直己,被人問起為何爬山時所回覆的那句:「因為山在那裡。」仰望就能看見的這片星空、我們身處的銀河系,未來的命運會如何發展? 可以說她想了解星系的原因,只是單純的好奇。

而關於銀河系的未來命運,目前天文學界已透過模擬預測,40 億年後,仙女座星系將會與我們相撞,接著結合成一個更大的星系,倘若真的發生,對於太陽系的演化也會有所影響。不過由於整個演化時程非常長,過程中或許還會產生其他的物理變化,因此一切都還是未知數,這也是未來研究星系演化的重點方向。

陰錯陽差半路出家,物理研究生成了天文學家

說起林俐暉博士當初踏入天文學界,甚至是決定研究主軸的原因,或許能借用佛教中描述整個宇宙存有的四字箴言:「因緣聚合」。本來,她在碩士班想做的是光學的物理研究,沒想到面臨當時的指導教授準備退休。尋覓其他領域的過程中,因身邊友人牽線參與了臺大闕志鴻教授宇宙學的專題討論,深感有趣;從這裡開始,林俐暉博士就和天空結下了緣分。

當年臺灣的天文觀測剛起步,為了盡快與國際接軌,臺大與中研院推動卓越發展計畫,與國際教授合作教學,後又有國科會千里馬計畫資助博士生出國,林俐暉博士因此獲得前往美國加州當交換學生的機會,進而接觸到讓她感興趣的星系演化領域,研究主軸就這麼定了下來。「有點像是一連串的巧合就決定了。」或許一切的發生正如同宇宙中的星系發展一樣,說是偶然還是必然?在十多年後的今日回看,似乎也不再重要,重點是,後來的她的確走在自己熱情的路上。

靠「相信」與「好奇」,持續航行宇宙

「我覺得每一條路都有它值得走的地方。」說起人生信念,林俐暉博士給了個篤定的答案,順勢聊到她最欣賞的文學家蘇東坡,他那顛沛流離的一生,與生命在挫折中綻放的光芒,恰巧與她的「相信」不謀而合。「累積的經驗都會幫助我的下一步。」星系演化並不是短時間內就會看見成果的研究,而這些充滿力量的中心思想,就像是黑夜裡最閃耀的星星,讓她在浩瀚的宇宙中不迷航。

本次成為首位榮獲台灣傑出女科學家的天文學者,林俐暉博士歸功於這三、四年來投入的 ALMaQUEST觀測計畫,該計畫突破了過往天文學慣用的光學望遠鏡,結合電波進行觀測,獲得更高解析度的資料,因此發現了在小尺度恆星形成速率跟冷氣體質量有關,且冷氣體質量的分布也會跟恆星的總質量分布有關係,對於星系演化研究的推進可說是一大貢獻。

至於研究的下一步?她跟採訪團隊分享了幾張獨特的星系照片,有的像企鵝,有的像車輪,並給了一個可愛的結論:「做天文,很多時候我們都是在解釋一些看起來非常漂亮跟有趣,但不知道為什麽的景象。」回到所有基礎科學的初心,其實不過是單純對一件事物的好奇;而答案以及目的,或許,正是這個追尋的過程本身。

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