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微中子和鯨魚

 2010-02-14 17:45 桌面版 简体 打賞 0
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原本想在地中海底探測微中子,結果變成探測抹香鯨的發聲研究。這個跨領域合作研究的美妙意外結果,彰顯出全面性知識探究的潛在優勢。

對義大利西西里島東部卡塔尼亞港的碼頭工人與水手而言,眼前景象相當可疑。在二○○五年與二○○六年間,每個月一次,都會有兩名陌生人走到碼頭尾端的小木屋,打開門鎖,再拿出一個小盒子,之後再上鎖,直到下個月才會再出現。

當地民眾對這兩人的行為充滿疑問,但這兩名陌生人總是保證不必擔心,聲稱自己是科學家,盒子裡裝著電腦硬碟,儲存用水底麥克風錄下的長期聲音資料,而麥克風安置於距海岸二十八公里遠的地中海海底。瑞可班尼(Giorgio Riccobene)是義大利國家核子物理研究所的粒子物理學家,他希望證明水底麥克風能用來偵測來自遙遠太空的微中子;帕凡(Giovanni Pavan)則是帕維亞大學海洋生物學家,在此協助瑞可班尼處理錄音內容裡的背景噪音。

但因為這些錄音資料的內容,讓兩人決定隔年重回舊地,不過這次角色互換,由物理學家協助生物學家,探尋的目標也不再是微中子,而是抹香鯨。

這場意外經歷源於近十年前,瑞可班尼參與義大利百位科學家組成的「地中海微中子觀測站」,希望研究海中微中子。微中子自太空持續來到地球,帶來遠方超新星生成等珍貴資料。這種基本粒子既不帶電,質量趨近於零,也鮮少與其他物質發生反應,故研究微中子需要大型偵測器,而且規模愈大愈好。因此觀測站在西西里島南部外海水深三千五百公尺處,在兩立方公里的海域裝設數千個光學偵測器,希望在微中子偶爾與水分子反應時,光學偵測器就能捕捉其所產生的微弱光波。

瑞可班尼當時則努力改善偵測成效,他表示,「理論上,高能微中子也會產生可偵測到的聲波,因為在水中,聲波傳導能力優於光線,聲波偵測器捕捉微中子反應的機率也較高」。沒有人知道這個理論是否行得通,但既然觀測站的計畫裡,也需要水下麥克風為光學偵測器定位,觀測站在二○○二年,便希望瑞可班尼進行名為「海洋噪音偵測實驗」的可行性研究,地點就位於卡塔尼亞港以東水下二千公尺的測試位置。

噪音控制

為瞭解相關知識,瑞可班尼前往法國巴黎參加微中子聲波偵測的工作坊,也立刻注意到人們討論時忽略一項重點,他指出,「在場沒有人提及背景噪音,每個人似乎理所當然地假設深海內噪音很少,但當時也沒有公諸於世的資料可供參考」。瑞可班尼返回卡塔尼亞港後,碰巧得知當地的一個環保團體邀請帕文前來演講,帕文於一九八○年代早期率先使用海洋哺乳類數位錄音技術,亦是那一個領域的世界頂尖專家,最適合來解答瑞可班尼的疑問:究竟在深海二千公尺的環境裡,背景噪音有多大?

由於資料有限,帕文無法輕易回答,他表示,「幾年前,深海錄音系統仍無法輕易取得」,他只能確定在深海中,絕不像微中子物理學家假設的那般寂靜。

瑞可班尼起先相當驚訝,帕文所預測的噪音音量遠高於微中子物理學家預測,不過這不代表微中子偵測便不可行,但「地中海微中子觀測站」成員必須先詳細瞭解背景噪音後,才有機會找出其中的微中子訊號。

瑞可班尼於是邀請帕文加入「海洋噪音偵測實驗」,長期偵測西西里島海床聲音狀態,帕文雖無資金可支持計畫,仍允諾參與,畢竟這項實驗能讓他進入前所未見的深海,也能研究人類幾乎毫無法知的聲波環境,帕文尤其希望測量深海的噪音污染情況,認為這種污染造成過往許多深海鯨類擱淺。

至二○○五年元月,瑞可班尼的團隊在測試點安裝了四架高感度水底麥克風,並用光纖電纜將資料傳回碼頭邊的硬碟,很快他們便開始獲得資料,至同年四月時,帕文便開始聽取第一份資料。

一如預期,帕文能聽見低回而一致的背景噪音,多數來自水流與船舶運行,再加上不時出現可辨別的聲響,包括大型船隻的渦輪、聲納音波,甚至還有爆炸聲,但他特別注意到一種短促而規律重複的聲響,這是抹香鯨的呼吸系統擠壓空氣時的特殊聲音。帕文表示,「抹香鯨可能以這種方式估計海深與獵物距離,就像蝙蝠使用回音一樣」。

偶爾聽到這種聲音並不令人意外,這是動物所能製造的極大聲響,在水中最遠可傳達二十公里,意外之處在於這種聲響每個月都會出現,帕文指出, 「抹香鯨在此區域並不常見,已知資料顯示當地鮮少見到抹香鯨群」,但這些研究通常只依據靠近海面的目擊或聲音記錄,「海洋噪音偵測實驗」則資料來自深海,這才是抹香鯨多數時候生活的環境,顯示這種動物在當地的數量高於過去預期。

瑞可班尼與帕文持續錄音,直到二○○六年十一月,水底麥克風由光學偵測系統原型取而代之,但仍沿用同一條光纖電纜,兩位科學家則已累積超過六百小時的錄音資料,雖然兩人並未偵測到任何微中子,但仍感到滿意。瑞可班尼表示,「我當時只希望證明深海錄音可行,也可提供高品質資料,我並未預期在此階段便偵測到微中子」;帕文則明白,這項方式所獲取的資料,也不只是背景噪音清單而已。

不過聽見抹香鯨是一回事,計算數量與統整可靠數據又是另一回事。原則上,可從聲波判別抹香鯨的大小與性別,且若海面聲波記錄亦出現在深海記錄之中,則可能推估抹香鯨的位置與行動方向。帕文指出,「但要達成這項目標,若不研發數學計算軟體,就得一項一項用手算」,帕文的團隊因為沒有研發經費,故只能選擇後者的計演算法。

不過帕文認為,數據資料已慢慢浮現,抹香鯨在半數錄音的期間都曾出現,超過現有估算鯨群規模。帕文的團隊也從錄音之中,找出季節性規律與社會行為跡象,並在今年九月的研討會中發表。帕文表示,「鯨群在春秋兩季較常出現,其他動物也在相同時節遷徙,或許都屬於相似物種」。有時錄音裡會出現異常且短暫的聲響,一般認為具有特殊社會功能,也只有在雄鯨靠近雌鯨群時才會出現,帕文指出,這種聲響像是方言,不同鯨群的音調也有別,「地中海地區最常見者為三加一的模式,三短聲後再加一聲」,但錄音顯示,二加一的組合頻率也高於預期,有可能顯示其他地區的鯨群恰好經過地中海。

深海擾動

瑞可班尼目前除了微中子物理學,亦很熱衷於生物聲學,並讓「歐洲海洋觀測網路」加入,發展地中海地區的深海探測站網路,雖然該組織的重點在於地球物理學與氣候學,但已允諾資助名為「聆聽深海」的計畫,該計畫為期三年,自明年三月起,再度於卡塔尼亞港外裝設四部水底麥克風,聆聽鯨群發出的聲音。

這次錄音一次要連續一年,並使用運演算法取捨資料;麥克風將定位在方形四角,研究人員詳細比對四部麥克風的錄音資料後,就能判斷鯨魚的尺寸、速度及方向,也能更準確預估鯨群規模與季節習性。未來這項計畫也打算在其他地點架設類似裝置,包括直布羅陀海峽附近的卡迪茲灣,帕文指出,「我們想要瞭解的一項重點,在於地中海的抹香鯨究竟是封閉族群,抑或是在各地海洋中悠遊」。

瑞可班尼的團隊也在持續,進行最後階段的大型微中子觀測活動,若一切都能按照計畫,將在二○二○年之前開始,這項大型計畫也將包括聲波系統,縱然不是用來偵測,也要發揮定位功能,瑞可班尼現在已明白,深海中還有許多背景噪音,也認為還需要更多資料,才能確定能否使用聲波偵測微中子,不過當然前提得先獲得更多經費。未來所得資料將提供給生物學家、地震學家及其他研究人員使用,帕文肯定會感興趣,想要研究的物種也不只有抹香鯨,還包括長鬚鯨及喙鯨,這些鯨魚的低頻聲響最適合在深海中記錄。

瑞可班尼表示,「人類對深海海床所知甚微,還有許多值得研究的素材,我有預感只要我們能將水深三千五百公尺的資料送上寬頻網路,許多人一定會趨之若鶩」。

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