微中子和鯨魚

2010-02-14 17:45

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」。