再見，阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡 (Arecibo Radio Telescope)

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新年快樂！萃有堂2021年會(huì)邀請團(tuán)隊(duì)和圈里的朋友們，為您解讀前沿的科技信息和提供更多的投資機(jī)會(huì)。這期特別請到我們團(tuán)隊(duì)的天體物理學(xué)博士董曉怡為大家詳細(xì)介紹2020年十大天文事件之一的阿雷西姆望遠(yuǎn)鏡。以下是她的文章：

12月是各種年度盤點(diǎn)和榜單出爐的時(shí)間。阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡(Arecibo)的退役無疑成為了2020年十大天文事件之一。提起阿雷西博望遠(yuǎn)鏡，除了天文工作者和天文愛好者恐怕沒有多少人知道。但是看過1995年《007之黃金眼》的人一定會(huì)記得瀉水后逐漸暴露出的巨大天線反射面，006與007在腳手架上的追逐，以及懸空操作臺(tái)向跌落在反射面上的006砸去的情節(jié)。這些驚心動(dòng)魄的場景正是在阿雷西博望遠(yuǎn)鏡拍攝的。

阿雷西博望遠(yuǎn)鏡建在波多黎各，利用當(dāng)?shù)氐目λ固氐匦蔚耐胄未罂幼鳛榈鬃?，從而降低了成本和技術(shù)難度。它的口徑為305米，是中國”天眼“落成前世界上最大的球面射電望遠(yuǎn)鏡。阿雷西博望遠(yuǎn)鏡因?yàn)樗?dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和在射電天文領(lǐng)域取得的豐碩成果而久負(fù)盛名。12月1日令人遺憾的事情發(fā)生了，數(shù)跟鋼纜斷裂，重達(dá)900噸的操作平臺(tái)和羅馬圓頂從空中墜落，導(dǎo)致了阿雷西博的反射面大面積坍塌和兩座吊塔的倒塌。經(jīng)過一系列的評估，12月3日美國國家科學(xué)基金會(huì)(National Science Foundation, NSF)宣布了阿雷西博退役的消息。一代天文重器就以這樣悲壯的方式結(jié)束了它璀璨的一生，在我們?yōu)榘⒗孜鞑┒笸髧@息的時(shí)候，也來回顧一下它的歷史吧。

射電天文學(xué)的興起

射電望遠(yuǎn)鏡不同于觀測可見光的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，它以無線電接收技術(shù)為觀測手段，用于研究來自天體的波長為毫米到米級的電磁輻射。早在19世紀(jì)60年代麥克斯韋和普朗克等人就已經(jīng)認(rèn)識到太陽和恒星等天體的電磁輻射不僅限于可見光波段。但是真正探測到天體射電輻射卻是在20世紀(jì)30年代。時(shí)任美國貝爾電話公司的工程師央斯基(Karl G. Jansky)發(fā)現(xiàn)了周期性出現(xiàn)的靜電干擾信號，最終他鎖定了信號的來源為銀河系中心的人馬座。為了紀(jì)念央斯基的發(fā)現(xiàn)，國際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)在1973年通過決議采用”央斯基“作為天體射電流密度的單位，并且納入了國際物理單位系統(tǒng)。射電天文學(xué)的真正興起則是在二次世界大戰(zhàn)之后。戰(zhàn)爭期間得到迅猛發(fā)展的雷達(dá)技術(shù)以及戰(zhàn)后大批的雷達(dá)軍轉(zhuǎn)民，為射電觀測提供了良好的條件。也難怪，被稱為20世紀(jì)60年代四大天文發(fā)現(xiàn)的類星體、脈沖星、星際分子和宇宙微波背景輻射無一例外的都是利用射電天文手段獲得的。

阿雷西博望遠(yuǎn)鏡的建造

阿雷西博望遠(yuǎn)鏡建成于1963年。它最初的設(shè)計(jì)經(jīng)費(fèi)來自美國空軍部(U.S. Air Force)和海軍研究局(Office of Naval Research)，最終由高等研究計(jì)劃局(Advanced Research Projects Agency, ARPA，后更名為美國國防部高級計(jì)劃研究局(Defense Advanced Research Projects Agency)）出資，康納爾大學(xué)(Cornell University)承建，美國空軍部監(jiān)管。它在落成之初被命名為阿雷西博電離層觀測站(The Arecibo Ionospheric Observatory) ，用于研究電離層和射電天文。而它的出資方ARPA的主旨是研究和監(jiān)測地球電離層，進(jìn)而服務(wù)于彈道導(dǎo)彈防御系統(tǒng)。60年代末，ARPA開始縮減研究經(jīng)費(fèi)。1967年NSF從美國空軍接手了阿雷西博的監(jiān)管工作，并開始從軍用向民用的轉(zhuǎn)換。1971年阿雷西博更名為國家天文和電離層中心(National Astronomy and Ionospheric Center)。同年，NSF和美國國家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration, NASA)簽署了望遠(yuǎn)鏡的升級改造備忘錄，由NSF出資在原有的金屬網(wǎng)構(gòu)成的天線上鋪設(shè)了38778塊金屬反射板，而NASA則出資增加了一套S波段的雷達(dá)設(shè)備。1997年阿雷西博迎來了第二次重大升級。其中包括增加了羅馬圓頂和一個(gè)線性饋源。改造后的阿雷西博望遠(yuǎn)鏡的觀測波長范圍擴(kuò)大到了6米和3毫米。一個(gè)巨大的三角形操作平臺(tái)和可移動(dòng)懸臂懸掛在巨大反射面的上空，一個(gè)羅馬圓頂固定在操作平臺(tái)的下面用于放置接收機(jī)等設(shè)備。整個(gè)平臺(tái)和羅馬圓頂重達(dá)900噸，由18根鋼纜連接固定在3座混凝土吊塔上。天體的射電輻射經(jīng)由主反射面反射到羅馬圓頂，由信號接收機(jī)記錄，而后供天文學(xué)家分析和處理。

斐然成績

阿雷西博望遠(yuǎn)鏡作為世界上靈敏度最高的射電望遠(yuǎn)鏡之一在長達(dá)半個(gè)多世紀(jì)的運(yùn)行中成果斐然。更是創(chuàng)造了很多個(gè)”第一“。1974年美國物理學(xué)家拉塞爾·赫爾斯(Rusell A. Hulse) 和 約瑟夫·泰勒(Joseph H. Taylor) 利用阿雷西博發(fā)現(xiàn)了第一對脈沖雙星，他二人也因?yàn)檫@一發(fā)現(xiàn)榮獲了1993年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1981年，獲取了第一張金星表面的雷達(dá)圖。1992年發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)太陽系外行星。2008年第一次在星系中發(fā)現(xiàn)了組成氨基酸所必須的甲胺和氰化氫分子。2016年，第一次發(fā)現(xiàn)了重復(fù)的快速射電暴。

阿雷西博不但在天體物理學(xué)的研究中貢獻(xiàn)卓著，它還一直積極地參與地外文明的探索。1974年為了慶祝第一次重要升級改造的完成，阿雷西博向距離地球兩萬五千光年的球狀星團(tuán)M13發(fā)送了一串由1679個(gè)二進(jìn)制數(shù)字組成的信號，稱為”阿雷西博信息“。這一信息中包含二進(jìn)制的數(shù)字1-10、DNA所包含的化學(xué)元素、核苷酸化學(xué)式、DNA分子結(jié)構(gòu)、人類外形、太陽系成員和望遠(yuǎn)鏡的波長和口徑。1999年，阿雷西博成為了SETI@home項(xiàng)目的重要成員。SETI是搜尋外星智能(Search for Extra-terrestrial Intelligence)的縮寫，由美國加州伯克利分校(University of California, Berkeley)的空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)室主持。他們將阿雷西博望遠(yuǎn)鏡采集的海量數(shù)據(jù)分成一個(gè)個(gè)小數(shù)據(jù)包，發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)，每臺(tái)安裝了SETI@home程序的電腦都可以自動(dòng)下載這些數(shù)據(jù)，在屏幕保護(hù)模式或后臺(tái)模式下運(yùn)行，利用電腦上多余的處理器資源參與數(shù)據(jù)分析和計(jì)算。2005年伯克利關(guān)閉了SETI@home的服務(wù)器。在項(xiàng)目運(yùn)行的6年時(shí)間里共有226個(gè)國家和地區(qū)、超過500萬的個(gè)人和團(tuán)體參加到這個(gè)項(xiàng)目中，累計(jì)的CPU運(yùn)算時(shí)間超過了224萬年。遺憾的是我們至今還沒有找到外星智慧生物存在的證據(jù)。

阿雷西博信息（圖片來源：SETI研究所）

阿雷西博的衰落

任何事物的發(fā)展都有一個(gè)從輝煌到衰敗的過程，阿雷西博望遠(yuǎn)鏡也不例外。進(jìn)入21世紀(jì)，由于地震和颶風(fēng)等自然災(zāi)害的長期侵襲阿雷西博早已經(jīng)傷痕累累。經(jīng)費(fèi)的不確定性更使得它的前景堪憂。2020年8月10日四號吊塔上一根支持操作平臺(tái)的輔助鋼纜滑脫，在主反射面上劃開了一個(gè)長約30米的口子，同時(shí)對羅馬圓頂造成了一定的損害。負(fù)責(zé)阿雷西博運(yùn)行的中佛羅里達(dá)大學(xué)(University of Central Florida, UCF)對事故進(jìn)行了及時(shí)的評估并制定了維修方案。不幸的是，新光纜還沒有到貨，11月6日，同一吊塔上的一條主鋼纜又?jǐn)嗔蚜?。這一次不但損毀了一部分反射面，還對其周圍的鋼纜造成了不同程度的損傷。19日，在謹(jǐn)慎評估后，NSF做出了關(guān)閉整個(gè)中心，并對望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行可控拆除的決定。24日，巡航發(fā)現(xiàn)連接在四號塔上的其他鋼纜外層也開始出現(xiàn)了裂縫。12月1日，先是四號吊塔的剩余鋼纜不堪重負(fù)先后斷裂。而后傾斜的操作平臺(tái)導(dǎo)致8號和12號吊塔的鋼纜相繼斷裂，整個(gè)操作平臺(tái)和腳手架都墜落到了反射面上。最后4號和12號吊塔更是被攔腰扯斷，滾落到山腳。12月3日，NSF召開新聞發(fā)布會(huì)，公布了阿雷西博坍塌的視頻，并宣布其正式退役。

后繼者 - 中國”天眼” （FAST）

阿雷西博的退役無疑是天文界的重大損失，令人慶幸的是我們已經(jīng)擁有了可以接替它工作的設(shè)備，這就是2016年9月建成的中國”天眼“，500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope, FAST)。FAST位于貴州省，同樣是利用喀斯特地形建造的。落成后的FAST取代了阿雷西博成為了世界上最靈敏的射電望遠(yuǎn)鏡，它的綜合性能更是比阿雷西博提高了10倍。經(jīng)過幾年的調(diào)試，F(xiàn)AST在2020年1月通過了國家驗(yàn)收，正式投入運(yùn)行。在試運(yùn)行和正式運(yùn)行的四年多時(shí)間里，它已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一批脈沖星，還在幫助解決快速射電暴的產(chǎn)生機(jī)制方面做出了獨(dú)有的貢獻(xiàn)。我們有理由期待，F(xiàn)AST將會(huì)像它的前輩阿雷西博一樣在射電天文領(lǐng)域取得傲人的成就。

關(guān)于作者

董曉怡，天體物理學(xué)博士。研究項(xiàng)目包括：利用多波段（從X射線到遠(yuǎn)紅外）觀測所得的圖像和光譜數(shù)據(jù)，研究類星體和活動(dòng)星系核與其寄主星系的演化之間的相互關(guān)系。包括近鄰星系的質(zhì)量、熱光度和速度彌散與其中心超大質(zhì)量黑洞的質(zhì)量和吸積率的關(guān)系；以及極亮紅外星系中恒星形成與星系中心類星體的各項(xiàng)特征參數(shù)的關(guān)系。利用SHAPELET方法實(shí)現(xiàn)圖像分辨率優(yōu)化，對已有星系圖像進(jìn)行擬合，或依據(jù)參數(shù)構(gòu)建星系圖像。利用多波段圖像分析所得的測光數(shù)據(jù)，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法得到類星體和河外星系的紅移值（距離）。利用星系的特征參數(shù)，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對星系進(jìn)行分類。