科學家希望建造一個全新且與眾不同的阿雷西博望遠鏡，以取代損毀的地標

阿雷西博天文臺的懸索科學平臺，已于2020年損壞。(圖片來源：UCF)

阿雷西博天文臺的大型無線電天線對人們來說意義繁多：發(fā)現脈沖星的設備，與外星人溝通的信號發(fā)射器，小行星測繪儀，詹姆士·邦德系列中被反派藏匿的衛(wèi)星天線，波多黎各的地標，以及培育未來科學家的搖籃。然而，這一切都在2020年末劃上了句號，整個懸空平臺在倒塌中迎來了終結。這個在幾十年中歷經了無數考驗的工程學奇跡，終究還是沒有逃過重力的魔爪。

自那場災難之后，一部分人的目光轉向了其背后的原因，另一部分人著手開始整理和清理殘骸?？茖W家們則開始思考此地下一步的科學研究將如何進行。對于一群與阿雷西博天文臺擁有深厚聯系的科學家們而言，這次災難反而意味著一個全新的暢想：一臺將能取代這個標志性設備，且能使研究更進一步的，與眾不同的全新望遠鏡。

圣安東尼奧西南研究所的行星科學家，新一代望遠鏡設計原理白皮書的共同作者之一，特雷西·貝克爾說：“我個人認為這不過是第一步：在崩塌之后，這樣的舉措只是為了表明，我們仍然有選擇的余地和可能性，以延續(xù)這臺望遠鏡所留下的具有價值的科學遺產和研究成果。”

“我并不認為新設備一定要看起來像是‘全新’的”，她補充道，“它可能看起來和原來的望遠鏡區(qū)別不大，又或者是和我們此前所提出過的所有構思大相徑庭。無論如何，重點是能夠突出對那個空間的利用，并且延續(xù)之前寶貴的研究成果。”

這個被稱為下一代阿雷西博望遠鏡的設計，或許更適合被當作一個聲明，而非具體的藍圖來看待。畢竟，現在科學家們甚至不知道能否實現這樣的獨特設計。但無論如何，這個項目的主要目的還是描繪阿雷西博未來60年的發(fā)展規(guī)劃，當然前提是各家機構愿意以充滿熱情和抱負的態(tài)度為其投資。

“我們必須擴大視野，并且大膽思考，因為倘若你只想重復過去的工作，你就無法激勵下一代，也無法為他們提供更好的資源，” 阿雷西博天文臺副首席科學家諾誒米·皮尼利亞-阿隆索說道，“而如今的成果正要歸功于60年之前那群敢于大膽思考的人們?！?值得一提的是，作為該天文臺的管理者，同時也是佛羅里達大學的行星科學家之一，皮尼利亞-阿隆索正是該設計概念的提出者之一。

這項設計在天文臺倒塌后的短短兩個月之內就被提出了。在某種程度上，這或許對于那些與天文臺有著密切聯系和強烈感情的科學家來說，是一種情緒釋放?！拔覜]過多久就從悲傷和沮喪的情緒中解脫了，并轉而開始認為‘我們正在做一件好事，我們仍在努力工作，并且正在取得進展?！?皮尼利亞-阿隆索如此說道。

此外，白皮書的另一位作者，阿雷西博天文臺臺長弗朗西斯科·科爾多瓦說，現在這個新設計背后的科學家們正在努力保持勢頭，以加快重建進程。

“阿雷西博留下了一個巨大的缺口”，他補充道，“我們現在有數百名科學家正在爭先恐后地尋找另一臺能夠為他們提供所需數據的望遠鏡，以繼續(xù)他們的項目研究?！?/p>

2020年12月8日，阿雷西博天文臺望遠鏡倒塌后的現場照片。（圖片來源：米歇爾·內格隆, 美國國家科學基金會）

基金會的選擇

然而，在有機構出面資助該項目之前，科學家們能做的有限。

與此同時，土地所有者——美國國家科學基金會（NSF）舉行了一次研討會，以探討阿雷西博天文臺今后的各種可能性。官員們強調，將保留阿雷西博，但既沒有承諾按原樣重建望遠鏡，也并未提出對項目的支持。此次研討會沒有劃撥出任何資金，也沒有打算完成選定的項目。

“我們目前并沒有建造一個新射電望遠鏡的計劃，盡管這個想法確實是值得探討的”，研討會負責人在會議記錄中寫道，“然而，這個研討會的主要目的是盡可能地探討短期、中期和長期的選擇，它們應該能夠讓社會的所有階層都參與進來，并且是互補的?！?/p>

（如今，NSF僅在確?，F場安全和清理殘骸方面就有很多工作要做，該機構在2021年3月時估計這一過程將需要大約5000萬美元。）

然后，在研討會期間，該機構專注于從更廣泛的角度考慮該場地的未來。 “NSF致力于參與這一未來的發(fā)展，但并不局限于建造新望遠鏡這個唯一想法，” 會議記錄指出，“當然了，這確實是一種長期的可能性。除此之外，還有其他的選擇，以及一些近期的項目，也可能能夠填補大型項目被設計出來之前存在的漏洞?！?/p>

當被問到如何處理該望遠鏡的遺留問題時，NSF認為新設計并非唯一的選擇。

事實上，觀測站本身是可以迅速重新開展一些相關的科學研究的。該場地還有許多其他設備并未受到崩塌的影響，因此仍在正常工作。天文臺的領導層希望至少能夠修復與實驗相關的部分天線，以便能夠在其他地方使用。

科學平臺上的所有設備都被懸掛在1000英尺（305米）高，由39根電纜組成的網上。盡管墜落損壞了平臺上的所有設備，但部分零件也許仍能使用。NFS的官員說，至少有一半設備在倒塌中幸存下來，更換電池板也不是特別困難或昂貴。基金會還表示，所有三座支撐塔的底部都很堅固。

殘存的建筑可能是重建望遠鏡的基礎，但需要使用更先進的技術和材料。

佛蒙特大學射電天文學家喬安娜·蘭金不是白皮書的合著者，但卻十分認可新的項目，她說:“有很多方向可以研究。選擇一個最雄心勃勃、技術上最激動人心的方案是令人興奮的，但這并不是唯一的選擇?！?/p>

阿雷西博天文臺無線電天線的檔案圖像顯示，沉重的科學平臺懸掛在它的上方，兩個支撐塔和復雜的電纜共同支撐著它。（圖源：NFS下屬阿雷西博天文臺）

阿雷西博的新望遠鏡

2020年11月，一場視頻會議提出了一個大膽的望遠鏡更新計劃。這個行動很快被稱為“守夜”，一開始只有十幾名參與者，但后來迅速增加到數百名科學家。

同年12月1日，阿雷西博望遠鏡倒塌。在仔細分析了望遠鏡倒塌的原因及造成的損失后，蘭金說：“望遠鏡剛坍塌后的兩次會議中，大家都很驚慌?！?/p>

但隨著科學家們把注意力轉向未來，這種情緒很快就消散了。阿雷西博天文臺的射電天文學家、白皮書的主要作者阿尼什·羅什說：”我們立刻想到的是，應該制定一個重建計劃。那時所有的討論都變得非?；钴S，主要探討用什么來替換這個望遠鏡以及如何重建。”

這項工作的成果是一篇70頁的論文，概述了一個在廢墟重建的，極具創(chuàng)新的新阿雷西博望遠鏡。

對于一個大型設施來說，不同尋常的是，重建工作將集結阿雷西塔地區(qū)三個科學領域的人們。

盡管電離層研究人員最初想讓大型射電望遠鏡進行大氣實驗，但專門從事射電天文學和行星雷達研究的科學家很快意識到，大型望遠鏡及其強大的雷達系統也可以為他們提供有價值的信息。

蘭金說：“這三個科學專業(yè)在阿雷西博形成了一種共生關系，這在阿雷西博是十分獨特的?！?/p>

呼吁重建的科學家們表示，這三個獨立領域的聯合應該在建造中得以體現。皮尼拉-阿隆索說:“我們希望繼續(xù)成為一個多學科的機構。我們不想優(yōu)先考慮一個而不是另一個，所以必須想一些可以服務于三個領域的東西。”

保持不同學科聯合的前提是，一個替代設施重建在波多黎各青翠內陸的望遠鏡遺址上。最初，該地點是由軍方決定的，并希望把儀器放在赤道附近的美國領土上。

盡管發(fā)生了坍塌，天文學家還是注意到了大量基礎設施的剩余價值，比如望遠鏡所在的天坑，以及支持天文臺的工作人員和社區(qū)。蘭金說：“沒有一種儀器完全是由硬件組成的。硬件只是故事的開始。沒有那些熟練的員工，它幾乎毫無用處?！?/p>

此外，還有一種珍貴的資源，那就是在該地區(qū)能夠輕松躲避其他同頻信號的干擾。天文學家不能簡單地把這份清靜收拾起來隨身攜帶。阿雷西博周圍的法規(guī)保護設施可以不受無線電干擾。

蘭金說：“既然我們擁有這個便利的資源，那不去使用它就是一種浪費?！?/p>

2020年8月，阿雷西博望遠鏡的巨大碟形天線因電纜從插座滑落而受損。（圖源：中佛羅里達大學）

科學夢

設計新望遠鏡的第一步是確定每個領域需要新設備來做些什么。皮尼拉-阿隆索說:“我們一開始并沒有說‘讓我們設計一些與眾不同的東西吧’，而是討論科學本身，以及希望阿雷西博在未來扮演什么樣的角色?！?/p>

此外，她補充道，這不是科學家們習慣提出觀測方案的方式。第一個挑戰(zhàn)是心態(tài)，因為你習慣充分利用現有的東西。你一直被要求做不同的事情，但從工程的角度而言，他們又告訴你，“不，你不能這么做。”

但新阿雷西博望遠鏡白皮書的核心內容卻并非如此：該站點的新科學目標，實際上是各領域專家的愿望清單。

設計團隊已經確定了三個領域公認的科學優(yōu)先事項。例如，每個人都想看到更廣闊的天空和更豐富的細節(jié)。波多黎各行星天體生物學家阿貝爾·門德斯說：“更多的天空有待探索，更多的發(fā)現即將到來?！?他經常在阿雷西博進行天體觀測，并參與了關于新望遠鏡的科學對話。

大氣實驗學家和行星雷達專家都優(yōu)先考慮更強大的雷達系統，盡管他們的需求并不完全相同。此外，如果需要犧牲射程，行星雷達就不一定會增加功率了。因為阿雷西博的優(yōu)勢之一是，它甚至可以發(fā)現科學家們還沒有完全確定的小行星。

亞利桑那大學的行星科學家邁克·諾蘭認為，阿雷西博望遠鏡是一種又大又鈍的儀器，所以哪怕不完美，它仍然可以工作。當它變得越來越注重外表時，這種說法就不那么正確了。在白皮書中，科學家們表示，他們草擬的設計將能夠觀測到比原來六倍多的小行星。

與此同時，對于射電天文學家來說，主要任務是能夠將儀器指向我們星系的中心，這需要在距離天頂48度的位置上進行靈活定位。（你握緊拳頭伸直手臂，大概能遮住10度的天空。)

總的來說，設計團隊努力的方向意味著，除了該設施已經開展了幾十年的工作之外，可能會有一些新的科學計劃。

其中一個額外的目標是了解空間的天氣，這是太陽對太陽系產生的各種影響，可能危及宇航員，擾亂軌道上的衛(wèi)星和地面上的電力系統。事實證明，新設計將允許科學家更好地監(jiān)測空間天氣，包括研究太陽風和日冕物質拋射，這兩個相關的現象。

此外，該設計概念的雷達系統將比已經消失的系統強大得多，除了對太空巖石進行科學工作外，它還可以觀察報廢的衛(wèi)星和其他空間碎片。對于地球同步軌道上的太空垃圾，新的設計可以看到直徑約3英尺（1米）的碎片，還能夠監(jiān)測遠至月球的大型碎片。

阿雷西博天文臺射電望遠鏡的科學平臺的夜間照。（圖源：阿雷西博天文臺）

“盤中盤”

根據愿望清單，科學家們開始著手設計。目前看來，新的設計與舊設備截然不同。

新的設計不再只有一個天線，而是用多個緊密排列的“小盤子”來填補舊望遠鏡巨大的天坑，這些“小盤子”被放置在大約七個巨大的傾斜盤上，正如皮尼拉-阿隆索所描述的那樣，這是一個“盤中盤”。而這些“小盤子”的具體大小又是一個需要權衡的問題：即是需要更多的“小菜”還是少量的“大菜”。

門德斯說:“我記得當我拿到論文的初稿時，所有的工程想法都正式成型了。我很驚訝，因為這是一個很大的變化?！笨茖W家們指出，這個巨大的改變，將解決舊設備的許多長期問題，包括那個導致其倒塌的沉重平臺。

科學家們還曾考慮過是保留一個類似舊設備那樣的巨大天線，還是將多個獨立天線散落分布，就像位于新墨西哥州的天線陣（距阿爾伯克基約兩小時車程）。但最終，他們認為兩種模型混合或許才是利益最大化的：即許多“小盤子”聚集在一起，并能保證同步移動。

只是，仍有一個小問題：科學家們尚不能確定建造這個結構的可行性。

但這個構想給工程師們提供了工作素材，讓他們可以開始深入研究建造新望遠鏡所涉及的問題。 “這是一個概念設計，”蘭金強調說。“其能否建造，且建成后是否能工作，尚不可知?！?/p>

耍心機

要讓新阿雷西博望遠鏡成為現實，工程問題并不是唯一的障礙。最棘手的部分是找到資金來確保實現原望遠鏡如此之大的規(guī)模。白皮書的作者們表示，該建造將花費約4.54億美元。

蘭金說，哪怕是在舊設備倒塌之前，阿雷西博望遠鏡的預算就一直是個令人頭疼的問題。過去的20年里，NSF減少了對該天文臺的資助，以解決機構的預算緊縮。

她還補充道，在21世紀頭幾年，NFS的預算本應翻一番，但卻沒有兌現。當時沒有諾貝爾獎，第二次升級也沒有立即引起巨大轟動，所以阿雷西博很容易成為眾矢之的。

這與從那以后獲得的其他大幅增算不同。盡管阿雷西博的情況與西弗吉尼亞州在2000年重建的綠岸望遠鏡（曾于1988年突然倒塌）類似，但蘭金并不認為阿雷西博會那么幸運。西弗吉尼亞州的兩位參議員的大力支持對重建望遠鏡至關重要，但阿雷西博沒有這樣的支持:波多黎各在國會沒有任何代表。

從阿雷西博天文臺標志性的天線中心仰視科學平臺。（圖源：阿雷西博天文臺）

蘭金說：“阿雷西博一直是一個廉價的項目，因為波多黎各沒有參議員。如果相同事件發(fā)生在NFS的其他設施上，參議員們會穿著靴子蒞臨，但波多黎各沒有這種優(yōu)待?！?/p>

在聯邦層面，波多黎各沒有參議員，只有一名常駐專員，一名不能參加全體投票的眾議院成員。

現任駐地專員珍妮佛·岡薩雷斯-科隆在一份聲明中說：“我們對坍塌感到十分悲傷。從那以后，我一直在與不同的利益相關者聯系，討論前進的方式，包括重建望遠鏡，這樣我們就可以再次參與阿雷西博天文臺和專家團隊主辦的所有項目，并保持波多黎各的遺產和對STEM（科學、技術、工程和數學）領域的貢獻?！?/p>

天時也有可能決定阿雷西博的命運。巧的是，阿雷西博的科學平臺恰逢美國總統特朗普連任失敗之際。蘭金指出，新總統對于科學和波多黎各的態(tài)度肯定比前任更開放。

與此同時，科學家們也有自己的主張和日程安排。NASA和NSF都依賴被稱為“十年調查”的文件來指導他們的資助決策。在這些項目中，美國國家科學院的大型科學家團隊將空間科學項目的優(yōu)先級排在第一。

然而，與大型地面無線電設備最匹配的項目是天體物理學方向的，該項目在發(fā)表前正在接受同行評審?？茖W家們懷疑這份文件能否支持阿雷西博的重建工作，因為該望遠鏡在委員會征求社區(qū)意見后倒塌了。

蘭金說：“沒有人想到，重建可能需要很多錢，所以阿雷西博不會為重建申請大筆資金?！笨梢哉f，如果阿雷西博天文臺插隊獲得資金的話，它就有可能惹惱其他爭奪同筆資金的科學家們。

另一份關于行星科學的“十年調查”仍在進行中，阿雷西博工作的行星雷達帶將與之息息相關，盡管這份文件表面上關注的是NASA的太空設施，而不是NSF的地面設施。

科多瓦說：“我相信設計工作和新儀器的資金最終會到位的，盡管可能不會像科學家們希望的那樣快。我很樂觀，我認為，當一個儀器有足夠的能力，有正確的科學邏輯和任務目標時，找到資金會容易得多。”

此外，他還補充道，科學家們已經有了一個令人驚嘆的概念，但它還將在設計過程、可行性研判和工程建造中不斷發(fā)展。一切需要的都只是時間。

他和很多同伴都希望，有一天，阿雷西博號將再次升起，并對我們的大氣層、太陽系和更遠的星空保持穩(wěn)定的觀測。

蘭金說：“這一切都充滿可能性。任何事情都有可能發(fā)生，沒有保證?！?/p>

BY: Meghan Bartels

FY: 忙碌的北門

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