〈從巨石陣、曼哈頓到高雄 漫談日月的東起西落〉勘誤、延伸閱讀與補遺

臨時接到社裡編輯的來信，需要地球科學專欄稿件。腦中忽然閃過最近收到的轉傳懸日訊息、高雄市政府決定青年路封街新聞、九年前完稿未發表的月球運動文章、四年前在南山中學演講「月亮在哪裡？」卻只講完太陽，於是就一口答應了。 不過，用Mathematica程式跑一跑，文章寫一寫發覺可以不要扯到橢圓軌道這部份，於是又把九年前這「橢圓軌道三部曲」的構想收進抽屜。結果認真用DE406把月球公轉軌道跑一遍，把月球放進「懸日懸月」來一起討論，卻沒有用到太多舊稿子裡準備好的材料，還挑出以前沒仔細研究的錯誤，等於重寫了一篇，沒省多少工夫。 打算從英格蘭巨石陣下筆，又鑽進天文考古的神祕世界。雖然原本對考古就有些興趣，沒想到巨石陣裡面的材料相當豐富，來龍去脈牽扯甚廣，欲罷不能。好在史前時代沒有文字記錄，臆測多於證據，不用扯太遠，也沒那麼多篇幅可用。

專欄文章〈從巨石陣、曼哈頓到高雄 漫談日月的東起西落〉 刊登在《科學月刊》588期（2018年12月） 這裡提供編輯前文字原稿（不含附圖），以及由原始EPS圖檔轉成的點陣圖檔（圖一約2142x1533 pixels，圖三2518x2762 pixels）。 圖一顯示不同緯度3地在夏至、冬至、春分與秋分日出日落的大致情形。

• 圖一(a)（英格蘭巨石陣）
• 圖一(b)（紐約曼哈頓）
• 圖一(c)（高雄青年路）

圖三 是用手邊星曆程式DE406計算2010年初至2028年初月球公轉軌道平面法線方向的結果。 和JPL現在使用的網頁程式DE430相比較，DE406計算1970年月球軌道兩者之間沒有明顯的差異。 讀者可參閱維基百科條目「Jet Propulsion Laboratory Development Ephemeris」的說明和外部官網連結。 圖二則可以參照維基百科條目「Orbit of the Moon」的附圖。 由於專欄版面有限，有些有趣的問題無法多談。好奇的讀者可能會注意到，圖三中月球公轉軌道平面法線方向似乎是繞著天球上（天龍座）某個特定點以18.6年的周期旋轉。如果參考維基百科「Orbital pole」條目，把赤經18 h，赤緯+66° 33′ 38.55"的「黃極」（ecliptic pole，即黃道坐標的南北極）標示在圖三中，就得到了一幅 包含黃緯線的圖三，其中橘色虛線正是黃道坐標的緯度線。黃道的經度坐標也是從春分點起算，至於黃道北極的赤經坐標為何會剛好在18 h（270度）這問題就留給讀者。

校稿時有個小錯沒有抓出來，是在下的疏失。
刊出原文（誤）：「在2015 年10 月，月球的赤緯變化只有±18.3 度（= ε5.145°）」
應該改為（正）：「在2015 年10 月，月球的赤緯變化只有±18.3 度（= ε － 5.145°）」
也就是說 23.4 － 5.145 = 18.3度左右。可能是因為英文鍵盤上的連字號（hyphen）有時不適合和數學的減號混用，所以原稿用了特殊字型，排版時字就跑掉了。 原稿中引用《科學月刊》480 期（2009年12月） 全球天文年專欄〈行星橢圓軌道的古今對話〉一文， 可參閱這個部落格中先前的文章〈行星橢圓軌道的古今對話〉補遺以及其中的連結，進一步了解橢圓軌道的效應和歷史。

關於英格蘭巨石陣的介紹或研究文獻很多，有興趣的讀者可以先從維基百科 Stonehenge條目下的介紹與連結，以及英國文化遺產 巨石陣官網的歷史沿革與故事來了解一些特定的專有名詞、過往考古發掘與重建的簡史、有多數共識或存疑的推論與假說。原稿列舉了三篇延伸閱讀：

1. Lionel Sims, “The ‘Solarization’ of the Moon: Manipulated Knowledge at Stonehenge”, Cambridge Archaeological Journal 16:2, 191–207 (2006) DOI:10.1017/S0959774306000114
2. Neil deGrasse Tyson, “Manhattanhenge”, https://www.amnh.org/our-research/hayden-planetarium/resources/manhattanhenge
3. Alejandro Jenkins, “The Sun’s position in the sky”,Eur. J. Phys. 34, 633–652 (2013) DOI:10.1088/0143-0807/34/3/633

第一篇文獻或許未必能得到學界的完全認同，但是它深入探討夏至、冬至以及巨石陣與月亮的關係，自成一家之言，確實值得參考。 第二篇是泰森在紐約自然歷史博物館的Hayden天象館網頁資源中對於Manhattanhenge的解說，出版時編輯用了縮網址，比較不容易看出來源。 第三篇包括了太陽的方位角和高度角解析，甚至於日行跡（analemma）以及橢圓軌道與時差（equation of time）的計算細節，適合想要親手計算的認真讀者。 至於火星的自轉軸穩定性問題，可從J. Laskar等人以及J. Touma等人1993年的文章開始，再進一步了解其他後續發展。

關於〈高能微中子天文學曙光乍現〉

今年（2018年）8月間，偶然造訪LIGO網站，想看看重力波研究活動的近況。沒想到網站上的最新消息是7月中恭賀南極的「冰立方」團隊的突破性結果，為多元訊息天文學時代又豎立新的里程碑。雖然先前沒有特別鑽研微中子或宇宙線偵測，相關的天文物理起源一直都是關注的課題。微中子偵測器或是其他宇宙射線偵測通常只能大概判別粒子來源的方向，這回有其他電磁波段的觀測證據支持，才比較能確認和活躍星系核blazar之間的關連。不過，仔細閱讀Science上的論文，發覺關連性沒有原先想像中那麼強（和中子星碰撞事件相比）；稱之為一線曙光應該還算貼切。

短文評論〈高能微中子天文學曙光乍現〉 刊登在《科學月刊》586期（2018年10月）， 稍後也轉載於《科技報導》443期（2018年11月）。 全文可以直接上網閱讀，這裡提供編輯前的初稿。 許多近期的相關評論文章不難找到。比較新的像是 Anchordoqui, L. A.的 Ultra-High-Energy Cosmic Rays arXiv:1807.09645v1，長篇評論雖然在7月下旬上網，尚未正式出版，等到有空再慢慢細讀。 從各種後續大型偵測器計畫的現況來看，這應該是另一個頗有前景的發展方向。

重力波專輯、〈重力波偵測器的概念與技術〉補充連結及勘誤

從2015年相對論百年的慶祝活動到2017年諾貝爾獎頒發，已經有許多關於重力波介紹的好文， 詳細介紹了重力波的發展歷史、基本原理、背後的小故事。 像是Daniel Kennefick 在世界物理年美國《今日物理》雜誌9月號曾回顧愛因斯坦和知名學刊《Physical Review》之間的一段過往 （Physics Today 58, 9, 43 (2005)）， 此間多位學者都有精彩的文章引介。有興趣的讀者也可以參閱Kennefick 的專書 《Traveling at the speed of thought: Einstein and the quest for gravitational waves》（Princeton University Press, 2007）。 《科學月刊》548期（2015年8月）廣義相對論百年專輯，林俊鈺博士與游輝樟教授的 〈來自深空的交響詩—重力波〉 涵蓋了重力波和數值相對論的基本概念。 576 期（2017 年12 月）諾貝爾獎特別報導， 實際參與LIGO計畫的潘皇緯在〈證實重力波存在的功臣 雷射干涉重力波觀測站〉介紹了LIGO偵測器的原理，特別包含了反射鏡的一些細節； 倪維斗教授〈無遠弗屆、鉅細靡遺 全方位的重力波探測〉 從科學的宏觀角度回顧並展望重力波研究的過去與未來。

通俗科學雜誌的讀者訴求和專業期刊畢竟有所區隔。 物理學會的科普刊物《物理雙月刊》照例會在每年年初專注報導當屆諾貝爾物理獎的相關研究。 在這樣的時間點上還要推出一個重力波專輯需要多花一些工夫，除了儘量避免重複的內容，新材料也不宜太過艱澀。 要適度的呈現重力波這主題，讓讀者能看見這領域的前景，是規劃時的主要考量。 對於這個已經發展了一百年的課題，只要找出具有前瞻性的切入點，仍然可保有它的吸引力。 在若干可能的選項中，並考量國內學者的相關研究近況，最後決定專輯規劃的方向以「重力波偵測的關鍵技術與應用」為主軸。 專輯沒有打算成為一本重力波百科全書或教材，只是透過相關領域專業的眼光把「偵測重力波」新近的研究發展介紹給讀者。

饒兆聰教授團隊不僅參與第一次中子星碰撞和先前其他重力波事件的搜尋，也正帶領學生積極參加設備更先進的ZTF計畫。這是由美國加州理工學院所主導的「史維基瞬變探測器」（Zwicky Transient Facility，ZTF），可望在多元訊息天文學時代扮演更重要的角色。 偵檢出微弱重力波信號的關鍵之一是透過相對論來計算重力波的波形，包含振幅、相位、極化方向等特性。以雙黑洞合併過程為例，可分為旋進互繞（inspiral）、碰撞合併（merger）、鈴震（ringdown）三階段。雙星最初互相靠近，像是脈衝雙星（binary pulsar），可以透過post-Newtonian的展開來處理；雙黑洞合一的最後階段可藉由黑洞微擾的分析與quasi-normal mode來計算；重力波信號最強的碰撞合併過程只能透過數值相對論的計算模擬。 Simulating eXtreme Spacetimes，SXS計畫結合了歐美幾個重量級研究機構和學者，其中包刮2017諾貝爾物理獎得主之一的索恩教授，專注於數值相對論的研究。SXS在網頁裡解釋了相對論研究近年的重要歷史背景和SXS計畫的研究動機，重力波偵測和數值相對論正是近代相對論研究的兩大主軸，但是後者的研究進展相對的緩慢，投入的資源也相對不足。 林俊鈺博士與游輝樟教授的〈從愛因斯坦方程式到超級電腦黑洞模擬－數値相對論發展歷史〉介紹了這段艱辛的歷程，文中提到的開源程式碼可以參考 The Einstein Toolkit網站的介紹。

〈重力波偵測器的概念與技術〉（原本標題〈重力波偵測器的科學原理〉）是發表在《科學月刊》578期（2018年2月）的另一篇專輯文章。這裡提供編輯前的初稿 （純文字與所有附圖，其中圖二是出刊後才修正的版本）。
圖三編輯部改用576期潘皇緯文中編輯部重製的附圖，圖說則維持原稿；其他單張附圖如下（pm3d版未刊出）：
圖一Michaelson干涉儀
圖二（出刊後更正版）LIGO干涉儀主要架構
圖四a 量子簡諧運動基態的相空間（phase space）圖示。量子化的電磁場真空也顯現相同的量子起伏特性。 古典的真空對應圖中的原點，量子態則必須是一個分布。
圖四a上（Wigner函數）、 圖四a上（Wigner函數，pm3d版）
圖四b 緊挾基態（或真空緊挾態）的相空間圖示。在某些特定相位方向的量子起伏可能比真空還要小。但是，整體仍然滿足測不準原理。
圖四b上（Wigner函數）、 圖四b上（Wigner函數，pm3d版）

二月出刊原文中有一段最後排版編輯時有些失誤，第134頁左起第一欄第二段前半部分修正如下：
[出刊原文]
古典簡諧運動好比理想的彈簧，
靜止時位移和動量都是零。子
起伏，滿足測不準原理。忽略
質量和彈簧常數等人為係數（選
擇自然的單位），相圖上任一點
和原點的距離（平方）直接對
應到簡諧運動的總能量（動能
加位能= 位移²+ 動量²）。量
子簡諧運動，基態的平均位移
和平均動量都是零，但是有量
教科書上量子簡諧運動的基態
波函數是一個高斯分布，...

[應該更正如下]
古典簡諧運動好比理想的彈簧，
靜止時位移和動量都是零。忽略
質量和彈簧常數等人為係數（選
擇自然的單位），相圖上任一點
和原點的距離（平方）直接對
應到簡諧運動的總能量（動能
加位能= 位移²+ 動量²）。量
子簡諧運動，基態的平均位移
和平均動量都是零，但是有量子
起伏，滿足測不準原理。
教科書上量子簡諧運動的基態
波函數是一個高斯分布，...

此外，網頁上和出版刊物81頁所顯示的578期目錄都將此文標題寫成「重力波偵測器的概念與技術史」，和原文有出入。數值相對論一文確實談論比較多歷史發展，〈重力波偵測器的概念與技術〉一文則是著重在偵測重力波的基本科學原理，尤其是LIGO當前最主要的兩大雜訊來源，從古典物理講到近代物理，希望能讓不同領域的讀者都能夠更深入的了解其中的技術關鍵。如果您對重力波的發展史感興趣，不妨參閱先前介紹的幾篇文章，以及年重力波發現後由陳江梅教授等三人在中華民國物理學刊合寫的論文（英文）：
C.-M. Chen et al., A brief history of gravitational wave research, Chinese Journal of Physics (2016), DOI: 10.1016/j.cjph.2016.10.014
(ADS, arXiv)
LIGO的白皮書是〈重力波偵測器的概念與技術〉一文主要的參考資料之一，譬如干涉臂中的雷射功率等數據，以2017年版的白皮書為主。延伸閱讀等其他文獻做為參考。 延伸閱讀3的LISA計畫書LISA Mission L3 Proposal（2017/01/20）也可以參考LISA網站。距離目前預計的發射時間2030年代中期還有十多年，屆時重力波和其他天文物理研究又會呈現什麼樣的宇宙面貌，頗值得青年朋友們認真思考。

重力波、中子星、LIGO

去年（2017）年初答應老師接下了6月底在中央大學天文研習營介紹重力波的一場演講。不料，年輕有為的bubu不僅準備當爸爸，暑假前全家就要暫遷到加拿大繼續相關的研究工作，把他準備好的投影片keynote講稿也寄了過來。雖然以前看過許多文獻，最近幾年並沒有特別追蹤重力波偵測技術的最新進度。天文學會年會排在5月中，國際天文聯合會亞太地區會議排在7月初，日本重力波干涉儀KAGRA國際會議也在5月下旬湊上一腳，再加上原本的暑期學生計畫，真是忙得不可開交。雖然擺脫不掉雜務，要略過資料蒐集時看到的那些有趣的科學內容也不大容易。總想在閱讀當中找些有意思的題目來深入研究一番。

2015年重力波的發現是件大新聞，社裡一直想要做個專輯。 LIGO當年9月15日偵測到的信號分析結果，一直等到2016年2月中才發表。 學界慶祝廣義相對論一百周年的活動還沒有完全結束，有許多評論介紹重力波歷史與研究的好文章顯然來不及寫下這百年來的關鍵突破。 2015年10月底，索恩教授（Kip S. Thorne）還接受中研院物理所和中華民國重力學會的邀請，來台參加慶祝活動、學術研討會，並舉行電影《星際效應》科普演講。 許多本地的書迷和影迷都拿到教授的親筆簽名。仔細看這簽名的日期（29 Oct 2015），LIGO團隊可能還在緊鑼密鼓的研究新發現的重力波信號呢！

撇開自己半個圈內人的主觀看法，不少媒體都看好重力波研究會拿下2017年的諾貝爾獎。 當然也有些人並未完全信服。畢竟，如此微弱的信號，有許多可能出錯的空間；例如地表大氣和電離層的 Schumann resonances 對干涉儀信號的可能影響，就曾經是被懷疑的對象。 年初的想法是，不如等到10月初諾貝爾獎公布，算是相關研究得到全球公認的里程碑，再一口氣把故事寫完整。 如果LIGO偵測的重力波信號確實來自外太空，依照目前估計的雙星碰撞發生頻率， 持續觀測一兩年所得到的結果必然可以進一步支持這樣的結論。 LIGO與Virgo早先有一項政策， 大意是在大約四次重力波事件的研究報告論文正式發表後，他們會將比較可信的重力波信號偵測結果迅速公開， 使全球的天文學家甚至業餘觀察者都可以進一步追蹤重力波的來源。在此之前，相關報告只提供給正式簽約參與後續追蹤的學者或組織。 隨著重力波事件GW150914、GW151226、GW170104的發現與確認，時機也越來越成熟。

錯過第一次重力波事件的歐洲Virgo干涉儀，在2017年8月1日再度加入聯合觀測的行列。Advanced LIGO/Virgo的第二個觀測期（O2） 預定在8月底結束，依照原先進度進行設備的升級，進一步提高偵測的靈敏度。 （LIGO目前的靈敏度和Advanced LIGO設計預估的目標之間仍有3倍的差距。） 然而，3座干涉儀的聯合觀測還不到一個月， 網路上的傳言已經滿天飛。
8月25日，LIGO宣布第二個觀測季結束，得到了令人「非常興奮」的結果。
9月27日，重力波事件GW170814的結果正式發表，這是Virgo的第一個重力波事件，而且，由於Virgo的加入， 重力波來源方位的不確定性縮小到先前的十分之一。但是，眾多望遠鏡搜尋仍然沒有看到特別的事件。
10月3日，LIGO計畫的三位關鍵人物獲得了 2017諾貝爾物理獎。
10月11日，LIGO/Virgo合作團隊與美國國家科學基金會NSF宣布在10月16日將舉行盛大的記者會， 出席的還包括全球70多個天文台代表，要「討論重力波天文學的最新發展」。歐洲夥伴也將同時與位在智利的歐南天文台ESO連線，同步舉行記者會。 這是國際合作研究獲致重要成果發表時的典型做法，新聞稿與學術論文全球零時差上線公開。
10月16日，全球多個團隊正式發表第一個中子星碰撞的重力波事件GW170817， 以及同時間觀測到的伽瑪射線爆GRB 170817A的全電磁頻譜觀測結果。
在2017/09/28 和2017/11/01中子星碰撞事件公布前後， 從GCN Circular Archive目錄上的截圖（snapshot）也彷彿可以看到全球天文學家追蹤同一目標的熱情。

通常，這類的成果發表會伴隨著一兩篇已經被知名期刊審稿接受準備搶先在線上出版的學術論文。 這回包括了跨領域的 《Nature》、 《Science》、 天文物理專業的 《Astrophysical Journal Letters》 都同時刊出多篇相關主題的研究論文， 加上公開發表在arXiv.org預印本檔案庫的論文，或許有近百篇研究報告一夜之間上線， 一時之間還不大能全部消化。和接收到的微弱信號相比，這次事件震撼科學界的程度顯然比諾貝爾獎更吸引眾人目光。

短文評論〈重力波獨白落幕，多角觀測閃亮登場〉 刊登在《科學月刊》576期（2017年12月）2017諾貝爾獎特別報導。 由於科月評論篇幅有限，關於美國國家科學基金會（NSF）和LIGO計畫初期的一段故事背景，則用加長版的方式添加在結語之前， 〈重力波獨白落幕，多角觀測閃亮登場--重力波、中子星與LIGO 〉 一文刊登在《科技報導》433期（2018年1月）的時事評析， 這裡也提供加長版的初稿， 完稿時間在2017年，刊出的版本已經做了修正。 撰稿之際看到許多有趣的資料，不能一一呈現在簡短的篇幅裡。 譬如，加州理工在西元1998年訪問 巴利許（Barry Barish） 和2000年訪問魏斯（Rainer Weiss） 所完成的口述歷史，可以上網下載閱讀， 一窺計畫關鍵人物當中的兩位諾貝爾獎得主在LIGO硬體即將完工啟用之際對於整個重力波計畫的看法和回憶。 又像是長期關注重力波實驗的社會學者Harry Collins，在2004年出版的 《Gravity's Shadow: The Search for Gravitational Waves》一書， 也描述了一些計畫初期的各種困難和考量，包括美國國會的聽證會、NSF和其他非干涉儀的重力波計畫等等。 這些八卦故事在短文評論最後雖然一語帶過，在可見的將來恐怕還是會伴隨著這重大的科學發現，呈現更完整的歷史。