巡天：繪製宇宙的地圖
你是否也曾在沒有光害的晚上，抬頭仰望滿天星空？自古以來，人類就對夜晚天空的點點繁星有著無數疑問。在還沒有望遠鏡和天文學的年代，人們透過神話口耳相傳那些關於星星們的故事，也嘗試繪製星星在天空的位置。如今，天文學讓我們知道，原來宇宙遠比肉眼看到的更豐富，除了銀河和恆星之外，還有無數的星系、黑洞，甚至暗物質的存在。
中國古代的敦煌星圖一部分，此圖繪製於八世紀的唐朝，圖中央標示了北極。圖｜Wikipedia
宇宙這麼大，我們要如何對宇宙有一個整體的認知？有沒有宇宙版本的 Google Map 呢？答案之一，就是「巡天」。巡天（sky survey）是指對廣闊的天空區域進行大規模、地毯式掃描的天文影像觀測，天文學家利用先進的望遠鏡、數位相機和資料處理技術，獲取大量的天文數據。
巡天不僅能知道天體在天空中的位置（2D），還能透過光譜分析，計算出天體離地球有多遠（3D）。因此我們可以說：巡天是從地球的視角出發，繪製宇宙的 3D 地圖。巡天可以讓天文學家知道天體的位置、亮度、顏色和距離等資訊，逐步理解宇宙的結構和組成。在這種大規模普查的觀測中，科學家也有機會發現罕見的天體或是全新的天文現象，並進行更深入的調查。
史隆數位巡天（Sloan Digital Sky Survey, SDSS）是歷史悠久的巡天計畫，由美國天體物理研究協會主導，以阿帕契點天文台（Apache Point Observatory）的望遠鏡和數位相機進行觀測，透過光譜分析，建構宇宙的 3D 圖像。
史隆數位巡天在 2000 年就啟動第一代計畫，至今已發展到第四代和第五代，持續拓展巡天範圍，並改良觀測技術。從開始至今，史隆數位巡天已經成為開放科學的典範，所有觀測數據皆免費開放給全世界的科學家使用，也讓天文學研究進入了大數據時代。
阿帕契點天文台（Apache Point Observatory）與營運中的四座望遠鏡。圖｜Apache Point Observatory
史隆數位巡天計畫的研究人員創建了有史以來最詳細和準確的宇宙地圖。圖｜史隆數位巡天計畫
「艋舺」計畫：運用大量光纖解析星系內部
林俐暉主要研究星系的演化，當她被問到「為什麼需要巡天觀測數據來研究星系？」林俐暉說明，星系的種類非常多，所處的環境也很多樣，如果要研究星系的特性，需要大量數據才能控制變因。也就是說，我們需要找出行為模式相近的星系，才能去研究它們如何變化。
林俐暉參與史隆數位巡天第四代的其中一個子計畫，稱為 MaNGA（Mapping Nearby Galaxies at APO），中文直譯為「艋舺」計畫。MaNGA 總共觀測 1 萬個鄰近的星系，對於每個星系分別曝光 3 小時，取得大量數據。
在前三代的史隆數位巡天計畫，每一個星系只運用一條光纖觀測，因此一個星系只會有一個光譜。對於遙遠而視角較小的星系，可以得到一個整體的平均數據；而對於鄰近地球視角大的星系，則是得到中心區域的數據。
然而，即使是同一個星系，中心和外圍區域的組成可能很不一樣。林俐暉指出，MaNGA 的優勢是在單次觀測中，動用多條光纖一同觀測。
如此，就可以在單一星系中的不同位置取得光譜資料。對於比較大的星系，一次觀測可以放置高達 127 條光纖，清楚看見星系內部不同區域的恆星形成活動與化學組成的變化。
MaNGA計畫的特色，是在一次觀測中放置多條光纖，解析星系內部的細節。如圖，最多可以在一次觀測中放 127 條光纖。圖｜研之有物（資料來源｜Astrophysical Journal）
MaNGA 觀測圖像，可解析出星系內的細部。圖｜研之有物（資料來源｜MaNGA 計畫網站）
當 MaNGA 在星系的不同位置分別取得光譜，這些光譜可以推算出星系中恆星的組成以及空間分布。比如說，恆星發出的光，激發周圍氣體之後，會有一條稱為「Hα」的光譜線。這條譜線的訊號強度越大，代表有很多恆星形成。MaNGA 能夠精確描繪出星系內的 Hα 光譜分布，讓科學家可以回推，知道星系的哪些角落正在誕生新的恆星。
星系演化的「潛規則」？等待檢驗的三角關係
宇宙中的星系，也有老的和年輕的，如何區分？就看星系中是否還有大量的新恆星正在形成。我們居住的銀河系相對年輕，它是「螺旋星系」，發出藍光，代表星系中仍不斷在形成恆星。另外，有些星系是「橢圓星系」，顏色偏暖色系或偏紅，表示星系中主要是年老的恆星，這就是天文學家所說的「熄滅」（quench）狀態，恆星形成受到抑制。
由此可見，恆星形成對於星系的未來命運非常重要，天文學者關注三個重要指標：星系中的恆星形成速率、星系中的氣體質量、星系中既有的恆星質量。這些指標彼此之間會產生三角關係如下：
- SK 關係：具物理基礎，直接正相關，稱為「施密特—肯尼克特定律」（Schmidt-Kennicutt law）。星系中的氣體越多，恆星形成速率就越快。相當合理，因為恆星是由冷氣體的塌縮而誕生。
- MGMS 關係：具物理基礎，直接正相關，稱為「分子氣體主序帶」（molecular gas main sequence）。由林俐暉領導的 ALMaQUEST 團隊在 2019 年發現和命名，星系中既有的恆星質量越大，其中蘊含的氣體質量也越大。
- SFMS 關係：經驗式關係，有待物理的詮釋，稱為「恆星形成主序帶」（star-forming main sequence）。天文學者發現，星系中既有的恆星質量越大，恆星形成速率越快。
這套三角關係之中，SFMS 關係讓人比較困惑，因為星系「目前」的恆星形成速率，竟然會和「過去」已經形成的恆星質量有關。雖然這條經驗關係已經應用在許多理論模型，但林俐暉團隊試圖瞭解 SFMS 的形成原因。
林俐暉主持 ALMaQUEST 計畫，研究星系中三個物理量之間的關係。圖｜研之有物（資料來源｜林俐暉）
承上，檢驗規則必須基於實際觀測，當林俐暉開始使用 MaNGA 巡天數據時，不禁開始思考：既然 MaNGA 可以把星系看得這麼仔細，那過去在大尺度觀察到的規則（上述的三角關係），在小尺度的星系內部還成不成立呢？
要回答這個問題，只有 MaNGA 的資料還不夠。因為 MaNGA 的可見光光譜，只能看到恆星以及游離氣體的資訊，看不到冷氣體，而冷氣體正是恆星誕生的原料。於是，林俐暉將目光投向了位於智利沙漠的「阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列」（ALMA）。ALMA 是全世界最大的電波望遠鏡陣列，可以取得一氧化碳的光譜，得知冷氣體質量的分布。
這就是 ALMaQUEST 計畫（ALMA-MaNGA QUEnching and STar formation）。 林俐暉以及維多利亞大學的 Sara Ellison 教授擔任計畫主持人，召集了全球三十多位天文學家，結合 ALMA 與 MaNGA 觀測，試圖解開恆星形成和星系演化的謎團。
可惜的是，成本考量之下，我們無法把 MaNGA 的一萬個星系樣本都用 ALMA 一一觀測，因為 ALMA 的觀測時間非常有限和珍貴。因此，研究團隊精心挑選 46 個星系進行 ALMA 觀測，這些星系的恆星質量很接近，但是恆星形成速率不同，所以可以用來探討氣體與恆星形成速率的關係。
ALMaQUEST 團隊已經在 2019 年證實了 MGMS 關係：星系中的冷氣體質量與恆星質量之間，呈現正相關。那麼有待驗證的 SFMS 關係呢？
林俐暉團隊運用 ALMA 與 MaNGA 的小尺度觀測資料，經過統計分析與物理探討，最終得到結論：既有恆星質量與恆星形成速率之間的關係，並沒有直接的物理關係。
林俐暉進一步說明，在鄰近的星系當中，絕大部分的質量都集中在恆星，冷氣體只占一小部分。可以說，星系中的重力場主要由恆星決定，冷氣體則會被動地配合這個重力場，分布在不同地方。
所以，恆星質量並不是直接決定恆星形成速率，而是決定重力場，重力場會吸引氣體入住，然後冷氣體質量才是影響恆星形成的直接因素。這個成果說明了什麼？宇宙規則的一致性。那些在大尺度看到的規則（三指標的相關性），在小尺度的星系內部依然成立，靜靜地運作著。
螺旋星系的碰撞與合併可能是形成橢圓星系的機制之一，星系藉由合併的過程愈長愈大。圖｜NASA 哈伯太空望遠鏡
用「艋舺」直擊遠古星系的碰撞
解開星系內部的複雜三角關係之後，林俐暉團隊將視角轉向了更劇烈的外部衝擊：如果兩個星系迎頭撞上，會發生什麼事？恆星的命運又會如何？
目前天文學家認為，年老的橢圓星系可能是由兩個年輕的螺旋星系相撞、合併而成。理論預測，大約 40 億年後，銀河系將與仙女座大星系撞上，來回碰撞幾次，產生形變，最後兩個星系合併在一起，成為接近橢圓星系的樣貌。
星系在碰撞的過程中，在其中一個階段氣體會大量流到星系中央區域，用來產生恆星，位於星系中心的黑洞可能讓氣體噴發出去。在這個過程中，一旦氣體消耗殆盡，星系就無法繼續形成恆星，變成偏向黃色與紅色的年老樣貌。
為了瞭解遠古星系碰撞的過程，2019 年林俐暉團隊運用 MaNGA 的資料，著眼於星系碰撞過程中，恆星形成速率是否發生變化。2025 年團隊更進一步探討了星系碰撞如何影響星系的「化學組成」。
林俐暉團隊從 MaNGA 觀測的 4,700 個星系影像資料庫中，人眼辨識挑出約 205 個兩兩成對、可能正在經歷碰撞的星系樣本。有些星系靠得很近，有些星系甚至已經發生形變，產生尾巴狀的構造。
找出可能發生碰撞的星系以後，研究團隊根據外形特徵，判斷它們分別所處的碰撞階段，分類為四個階段：首次接近、首次通過（即碰撞）、暫時分離（準備第二次接近）、最終合併，並探討每個階段的物理特性差異。
林俐暉研究團隊挑選 MaNGA 影像中可能經歷碰撞的星系，根據碰撞的四個階段來分類。圖｜研之有物（資料來源｜林俐暉）
林俐暉團隊發現，星系在首次劇烈碰撞（第 2 階段）之後，恆星形成速率會顯著提高，出現一波爆發。這符合理論預測，因為星系相撞的時候會產生潮汐力，把兩個星系的氣體都帶到星系的中間，導致中間區域的氣體密度變得非常高，也就容易形成恆星。
2025 年，淡江大學物理系潘璽安助理教授與林俐暉團隊的最新研究，延續之前 MaNGA 影像資料庫挑選的 205 個成對星系樣本，進一步探討星系碰撞後的化學組成變化。研究發現，星系經歷第一次碰撞（第 2 階段）之後，整體的金屬豐度會先下降，但是在第 3 階段暫時分離的時候，中心區域的金屬豐度又會重新回升，提供了星系碰撞會帶動氣體流動的證據。
在天文學中，「金屬」指的是所有比氫和氦更重的元素（例如氧、氮、鐵等）。這些元素在宇宙早期並不存在，是由恆星內部的核融合反應製造，或是恆星死亡時釋放到宇宙。
"因此，一個星系中的金屬豐度（重元素的含量），記錄了過去恆星的生存和死亡。"
一般來說，像銀河系這種螺旋星系，越靠近中間金屬豐度越高，越往邊緣則越低，形成一個由內向外遞減的梯度。
這兩項研究的背後，也代表科學團隊的日夜苦工，科學家靠著眼睛一一辨認 4,700 個星系，分別找出兩兩成對、可能正在經歷碰撞的星系，最後才精挑細選出 205 個成對星系樣本。林俐暉指出，現在巡天計畫的資料越來越多，已經是超出人類可以用眼睛做分類的負荷量。2022 年與林俐暉合作的中興大學物理學系張雨晏助理教授（現為天文運算科學家），已經開始用深度學習的方法，將巡天計畫得到的大量星系影像分類，發展出更有效率的研究途徑。
天文守望者：巡天與星系演化
除了 MaNGA 巡天以外，林俐暉也用昴星團望遠鏡（Subaru Telescope）來巡天，研究星系團對於星系演化的影響。
在數十個、甚至上百個星系組成的星系團之中，通常以顏色偏黃的橢圓星系居多，這些星系比較年老。林俐暉比喻，「就像人類一樣，你如果住在很空曠的地方，你可能心情比較好，看起來就比較年輕一點。但是你如果住在都市裡面，步調比較快（星系的演化速度比較快），他看起來就會比較老一點。」
為何星系團的環境會影響個別星系的演化呢？林俐暉說明，有一種解釋是星系團內的星系較早開始演化，自然就比較年老。但是還有另一個可能是，星系團內的星系確實演化比較快，因為星系團內容易發生很多特殊事件，常見的就是星系碰撞，造成演化速度較快。
另一種特殊事件是衝壓力（ram pressure）效應，氣體在星系團內容易被吹掉，也就很難繼續形成恆星。總之，有許多奇特的狀況可能在星系團裡發生，導致裡面的星系演化速度較快。
林俐暉認為，不論是哪個領域的科學研究，需要做的事情都是先尋找重要問題，接著歸納過去已知的資訊，再進而找方法解決問題。圖｜研之有物
林俐暉獲得「吳健雄學術基金會第 16 屆台灣傑出女科學家獎——新秀獎」，為天文領域獲得此獎項的第一人。林俐暉表示，獲獎很喜出望外，也感到很榮幸，很高興天文領域有被注意到。在「艋舺」觀測計畫以及 ALMaQUEST 計畫的執行之下，恆星的形成、星系演化與星系之間的交互作用，不再是迷霧重重，而是可以追蹤和長期檢驗的科學事實。
林俐暉認為，不論是哪個領域的科學研究，需要做的事情都是先尋找重要問題，接著歸納過去已知的資訊，再進而找方法解決問題。林俐暉鼓勵有興趣從事科學的後進，可以先不用害怕選錯行，只要建立好自我學習的能力，即使將來興趣轉換，例如從學界轉換到業界，仍然能夠應用這些基本又重要的技能。
採訪撰文｜歐柏昇
責任編輯｜簡克志
美術設計｜蔡宛潔
