美國的塌了,中國的可還行?
當?shù)貢r間12月1日,美國“天眼”、人類20世紀十大科技工程之首——阿雷西博射電望遠鏡(Arecibo Radio Telescope)塌了。

儀器平臺坍塌后的阿雷西博射電望遠鏡。圖源:科技日報
它位于波多黎各的阿雷西博,口徑達305米,由史丹佛國際研究中心、美國國家科學基金會(National Science Foundation,簡稱NSF)與康奈爾大學管理。它曾經(jīng)是世界上最大的單面口徑射電望遠鏡,直到2016年被中國的500米口徑球面射電望遠鏡(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope,簡稱FAST)取代,退居第二。
什么是射電望遠鏡?
阿雷西博射電望遠鏡為什么會坍塌?
全球科學界將遭受何種損失?
中國的FAST將發(fā)揮什么作用?
文 | 謝芳 瞭望智庫觀察員
本文為瞭望智庫原創(chuàng)文章,如需轉(zhuǎn)載請在文前注明來源瞭望智庫(zhczyj)及作者信息,否則將嚴格追究法律責任。
1
多災(zāi)多難
對阿雷西博射電望遠鏡而言,2020年多災(zāi)多難。
8月,一條輔助鋼纜斷裂,把望遠鏡的邊緣面板撕開了一個100英尺(約30米)的洞,并且損壞了上方的圓頂,自此,它停止了正常運作。
隨后阿雷西博天文臺著手維修。維修的第一階段就需要1000多萬美元(約合人民幣6526萬元)的經(jīng)費支持,不止如此,事故調(diào)查中還發(fā)現(xiàn),望遠鏡近半數(shù)支撐鋼纜都有滑脫的跡象。

2020年8月,阿雷西博上一根鋼纜斷裂后的情景。圖源:物理學家組織網(wǎng)
11月 6 日,就在工程師們研究如何修復這次損壞,并評估整體結(jié)構(gòu)的完整性時,阿雷西博的一條主鋼纜斷裂了,對望遠鏡底部反射面的中央部分造成了更嚴重的破壞,損失可能高達1200萬美元(折合人民幣約7832萬元)。
剩下的11根主鋼纜也變得岌岌可危。有專家認為,8月輔助鋼纜的故障使得主鋼纜承受了更大的載荷,最終斷裂。
根據(jù)《科學美國人》報道,兩根支撐結(jié)構(gòu)的鋼纜斷裂后,工程師一直沒有找到一種安全的維修方法。
11月19日,NSF天文科學部負責人拉爾夫·高姆(Ralph Gaume)表示,試圖穩(wěn)定或測試鋼纜,都可能會加速災(zāi)難性故障的發(fā)生。考慮到科研人員的安全等問題,NSF決定關(guān)閉阿雷西博射電望遠鏡,并計劃拆除。
然而,還沒等到NSF拆除,12月1日早上8點,望遠鏡的3個支撐塔和支撐鋼纜全部斷裂。這次的損毀更加徹底——距離底部反射面約137米、重約900噸的儀器平臺墜落,阿雷西博射電望遠鏡自行坍塌了。
重建阿雷西博望遠鏡需要大量資金,以及一個漫長的等待過程。
賓夕法尼亞大學教授亞歷克斯·沃爾茲森(Alex Wolszczan)認為,雖然阿雷西博射電望遠鏡已經(jīng)有50多年的歷史,但仍然具有非常重要的地位,失去它將是對科學界的重大打擊。
2
意外的發(fā)現(xiàn)
不同于我們常見的光學望遠鏡,射電望遠鏡不用玻璃鏡片,它使用巨大的天線捕捉看不見、摸不著的無線電波。要了解阿雷西博射電望遠鏡,還要從1930年代一個意外發(fā)現(xiàn)的無線電波講起。
1931年,美國新澤西州的貝爾實驗室,負責搜索和鑒別電話干擾信號的央斯基(K.G.Jansky)在搜索長距離無線電通訊干擾時,在14.6米的波長上意外發(fā)現(xiàn)有一種每隔23小時56分04秒就出現(xiàn)最大值的無線電干擾。
經(jīng)過一年多的測量和分析,央斯基在1932年發(fā)表的文章中斷言:這是來自銀河中心方向的射電輻射。
它具有諸多優(yōu)點:能在各種不同的溫度、密度和磁場等極端物流條件下產(chǎn)生;它的傳播很少受星際氣體和塵埃的阻礙;在后來的實踐中還發(fā)現(xiàn),對它的探測效率還易于隨射電望遠鏡功能的增強而提高。
射電望遠鏡,正是通過分析所能接收到的射電輻射信息,全面揭示各類天體的位置、圖像、運動及其隨時變化的狀況。
射電波研究天體的新紀元就此開啟。
射電望遠鏡的首要功能指標是靈敏度,一般以所能測到的最弱射電輻射強度來度量;另外一個重要指標是空間分辨率,即能分辨所測射電輻射來自何方。由于射電輻射的波長很長,為了達到甚至超過光學觀測的分辨率,射電望遠鏡的孔徑或等效徑必須很大。
從央斯基使用的長30.5米、高3.66米的旋轉(zhuǎn)天線陣,到現(xiàn)在中國上海佘山65米口徑射電望遠鏡(也稱“天馬望遠鏡”)、拋物面天線直徑達76米的英國曼洛弗爾射電望遠鏡、口徑達到100米的德國埃費爾斯貝格射電望遠鏡、拋物面天線直徑最長達110米的美國綠岸射電望遠鏡,都為人類認識宇宙做出了巨大貢獻。

位于上海佘山腳下的65米口徑射電望遠鏡,是目前亞洲最大的可轉(zhuǎn)射電望遠鏡,在我國的嫦娥探月工程、火星探測等一系列重要的深空探測任務(wù)中都有它的身影。圖源:孫自法|中新社
此后,隨著射電技術(shù)的發(fā)展和提高,射電干涉儀,甚長基線干涉儀,綜合孔徑等新型的射電干涉技術(shù)愈發(fā)成熟,使科研工作者能更有效地從噪音中提取有用的信號、擴大觀測覆蓋范圍、方便成像。
比如,位于美國新墨西哥州沙漠中的甚大陣射電望遠鏡(VLA),由27面口徑為25米的射電天線組成,是世界上最大的綜合孔徑射電望遠鏡,能夠觀測到160公里以外、一個發(fā)射無線電信號的高爾夫球大小的物體。

美國甚大陣射電望遠鏡。圖源:央視新聞
又如,位于澳大利亞的默奇森地區(qū)的平方公里陣列射電望遠鏡(ASKAP),由36架直徑為12米的碟形天線組成,這一區(qū)域沒有其他無線電信號干擾,可以清楚地接收到來自宇宙的信號。

澳大利亞平方公里陣列射電望遠鏡。圖源:央視新聞
它們是新一代射電望遠鏡的代表,在靈敏度、分辨率和觀測波段上都大大超過了以往的望遠鏡。
3
新一代的佼佼者
阿雷西博射電望遠鏡,則是新一代射電望遠鏡中的佼佼者,它的歷史可以追溯到20世紀50年代后期。
彼時,美蘇的冷戰(zhàn)正進行得如火如荼,蘇聯(lián)率先成功發(fā)射第一顆人造衛(wèi)星,讓美國如坐針氈,于是,提高自身科技實力、防御蘇聯(lián)的美國國防部高級研究計劃局應(yīng)運而生。
【注:美國高級研究計劃局(Advanced Research Projects Agency),簡稱ARPA,1972年改名為美國國防部高級研究計劃局(Defense Advanced Research Projects Agency),簡稱DARPA。】
阿雷西博射電望遠鏡正是該機構(gòu)防御項目的一部分。不過,最初的構(gòu)想是發(fā)展彈道導彈防御系統(tǒng),建造雷達。
任務(wù)被交給康奈爾大學電子工程教授威廉·戈登(William E.Gordon),最終他選擇了波多黎各中部一個石灰?guī)r構(gòu)成的喀斯特地形區(qū),這里相對對稱的碗形大坑可作為雷達底座,能大幅減少造價與技術(shù)難度。
【注:波多黎各全稱為波多黎各自治邦,屬于美國領(lǐng)土,但并不隸屬于美國任何一個州,由國會直管,政區(qū)類別為自由聯(lián)邦。波多黎各居民作為美國公民,他們沒有美國總統(tǒng)選舉的投票權(quán),但有權(quán)選舉一名無表決權(quán)的美國眾議院專員。】
1960年,阿雷西博射電望遠鏡開建,3年后建成,開始運營。在此后的半個多世紀里,它一直是世界上最大的單孔徑望遠鏡。它的主反射面是球面,最初的天線是金屬絲網(wǎng),最短只能工作在50厘米波段。
1972年改建時,38778塊鋁面板組成的高精度表面取代了舊的絲網(wǎng),工作波段達到5厘米;1980年以后,又進行了一次改建,把天線直徑擴大到366米。
1997年的改造使其觀測波長范圍擴展為6米到3厘米,可以觀測到更多的分子譜線。幾經(jīng)升級,它擁有了更高的工作效率和更大的靈活性。

阿雷西博射電望遠鏡。圖源:500米口徑球面射電望遠鏡與地方發(fā)展論壇
再看其工作原理。來自天體的射電波不能像拋物面那樣聚焦到一個點上,而要采取比較復雜的改正鏡或線性饋源的方法來收集能量。為了增加可觀測的波段和提高靈敏度,最初采用長約28米的線性饋源的方法,后來改進為改正鏡的方法。
一個三角形平臺和可移動饋源臂懸掛在主反射面上空,平臺下方懸掛著離主反射面50.8米的一個圓屋,在其中放置了兩個反射面(稱之為格雷果里副反射面),分別是第二和第三反射面,直徑分別為21.9米和7.9米,還有波長為12.6厘米、發(fā)射功率為百萬瓦的雷達發(fā)射機和雙偏振微波接收機。整體裝置重達約900噸,由三座鐵塔支撐著。
阿雷西博射電望遠鏡巨大的天線具有非常高的方向性,使無線電波聚集成非常小的輻射束發(fā)射出去,發(fā)射功率大大提高。無線電波碰上固體狀物體后會被反射回來,但是回波的能量很小,這就需要靈敏度非常高的阿雷西博來接收,并獲得被探測物的表面圖像。
一般情況下,射到主反射面的天體射電波被反射到第二個反射面,然后再反射到第三反射面,最后到達接收機屋內(nèi)的焦點上,不同的饋源連接在不同波段的接收機上,各個接收機裝置在一個可轉(zhuǎn)動的圓盤上,可以很容易把所需的接收機移到焦點處。
圓屋可以沿著曲線的臂上下運動,這個臂也可以旋轉(zhuǎn),其設(shè)計是為了防止惡劣天氣對小反射面的傷害,也可以防止人為的電磁干擾。
基于這些特點,阿雷西博射電望遠鏡成了當時世界上最強大的雷達。

為了防止作為地基的石灰?guī)r腐蝕,主反射面的下面一直保持著植被覆蓋。圖源:阿雷西博天文臺
對比來看,美國格林班克和前面提到的德國埃費爾斯貝格,是可跟蹤信號的射電望遠鏡,口徑100米,靈敏度高、分辨本領(lǐng)強、覆蓋天區(qū)廣、跟蹤靈活方便,但面對更弱的射電源時是不夠用的。
而阿雷西博射電望遠鏡球面天線直徑達到305米,接收面積比上述兩臺望遠鏡的天線要大約10倍,靈敏度提高約1個數(shù)量級,但其只能借助饋源的移動對約20°的天區(qū)范圍進行掃描或跟蹤,不能通過轉(zhuǎn)動天線來對準不同天區(qū)的射電源并進行跟蹤。
所以,多種多樣的大型射電望遠鏡,共同發(fā)揮作用,遙望廣袤又神秘的宇宙。
4
何去何從?
自1963年11月1日投入運營后,阿雷西博射電望遠鏡就獲得了來自NSF的財政支持和美國國家航空航天局(National Aeronautics andSpace Administration,簡稱NASA)支持,并迎來數(shù)千位科學家前來使用,其80%的工作時間用于射電天文觀測,15%用于大氣研究, 5%用于雷達天文學研究。
作為人類20世紀十大科技工程之首,它成就斐然。
1962年,阿雷西博重新測量出水星的自轉(zhuǎn)周期為59天,而非此前認為的88天。
1974年,泰勒(J.H.Taylor)和他的學生赫爾斯(R.A.Hulese)發(fā)現(xiàn)了第一個射電脈沖雙星系統(tǒng)PSR1913+16。泰勒利用阿雷西博射電望遠鏡進行了上千次觀測,獲得這顆脈沖星20年的軌道周期值,證明觀測結(jié)果與廣義相對論計算結(jié)果相符合,證實了引力波的存在。1993年,兩人據(jù)此相關(guān)研究,一起獲得諾貝爾物理學獎。
1981年,阿雷西博與格林班克組成雷達干涉儀,獲得金星局部地區(qū)的高分辨率的地形圖,這是第一幅金星表面的雷達圖。
1982年,阿雷西博發(fā)現(xiàn)了第一個毫秒脈沖星。這表明宇宙存在兩類脈沖星,一類是毫秒脈沖星,幾毫秒旋轉(zhuǎn)一周,另一類是旋轉(zhuǎn)較慢的脈沖星,每秒旋轉(zhuǎn)一周。
1989年9月,阿雷西博利用它的雷達模式對小行星4769 Castalia成像,這也是人類首次對小行星成像。
1991年,天文學家沃斯贊和弗雷爾用阿雷西博發(fā)現(xiàn)毫秒脈沖星PSR1257+12的行星系統(tǒng)。這是天文學家首次發(fā)現(xiàn)的太陽系外的行星系統(tǒng),是一次重大的突破。
此外,阿雷西博還曾以幾百米的精確度為阿波羅登月船和海盜號確定在月球上最好的登陸地點,還發(fā)現(xiàn)一些可能威脅地球的近地小行星,并對它們進行監(jiān)測。
不過,阿雷西博最引人注目的一項工程是搜索地外文明。
早在1960年,人類就開始了第一次有計劃地搜索地外文明。當時,利用比較小的射電望遠鏡在21厘米波段,對662顆離地球較近的類太陽恒星進行監(jiān)測,希望可以接收到地外文明發(fā)來的無線電波信號,但沒有成功。此后,人類又利用阿雷西博對100光年以內(nèi)的800多顆類太陽恒星進行監(jiān)測,仍一無所獲。
收不到,就主動出擊。1974年,阿雷西博向武仙座M31球狀星團發(fā)電報。電報內(nèi)容包含太陽系,氫、碳、氮、氧、磷五種重要元素,人類生命和人體形態(tài)等信息。電報使用二進制的系列脈沖書寫,以每秒10個字的速度發(fā)出,以光速傳播,到達目的地要2400年。假設(shè)地外文明收到后立即回電,我們也要在4800年以后才能收到。

阿雷西博向武仙座M31球狀星團發(fā)送的電報內(nèi)容。圖片來源:都市快報
此外,阿雷西博射電望遠鏡還是著名的旅游景點,為波多黎各政府帶來了不少收入。它的壯觀外形,也曾出現(xiàn)在大銀幕上,007系列電影《黃金眼》《超時空接觸》等電影都在此取過景。

007系列電影《黃金眼》中的阿雷西博射電望遠鏡。圖源:豆瓣
然而,它收到的財政支持卻是一年少過一年。
2001至2006年,NASA對阿雷西博的財政支持逐漸減少,最終取消。2006年,NSF的報告指出應(yīng)將望遠鏡的經(jīng)費大幅減少,甚至在2015年表示將尋求望遠鏡的退役。
財政支持在減少,意外的損壞卻在增加。
2010年的幾場颶風就曾引發(fā)工程師對阿雷西博射電望遠鏡穩(wěn)定性的擔憂。到了2017年,瑪莉亞颶風直接導致望遠鏡430兆赫線路饋送斷裂并掉到主鏡盤上,損壞了接收盤上38000多塊鋁板中的約30塊。
今年1月,一場地震襲擊了阿雷西博;
8月,熱帶風暴“伊薩亞斯”(Isaias)過境波多黎各,望遠鏡的一條支撐電纜突然斷裂;
12月1日,一場坍塌徹底終結(jié)了阿雷西博射電望遠鏡的運行。
不過,射電望遠鏡并不是阿雷西博天文臺的全部。根據(jù) NSF 發(fā)布的消息,一些小型科學項目仍然可以在阿雷西博天文臺的其他設(shè)施內(nèi)繼續(xù)進行。
兩個激光雷達設(shè)施仍會通過向大氣層發(fā)射激光來研究大氣現(xiàn)象;
天文臺運營方正在與科技公司合作,對相關(guān)數(shù)據(jù)進行云端存儲與分析;
NSF還在探討將天文臺的資源用于教育目的的可能性。
5
中國天眼
2016年9月25日,我國的FAST建成運營,取代阿雷西博射電望遠鏡成為世界上最大的單口徑射電望遠鏡,被譽為中國天眼。
國家天文臺研究員張承民表示:
“‘天眼之父’南仁東和許多成員曾多次去阿雷西博學習觀摩。從結(jié)構(gòu)上,‘天眼’有不少它的影子,但‘天眼’汲取經(jīng)驗并進行了創(chuàng)新改進。阿雷西博望遠鏡是20世紀產(chǎn)品,代表第三次工業(yè)革命的科技能力。中國天眼是21世紀產(chǎn)品,代表第四次工業(yè)革命的科技能力,展示了中國高科技領(lǐng)域的創(chuàng)新。”

坐落于貴州的中國天眼FAST。圖源:新華社
在這個大創(chuàng)新的背后,是中國科學家22年的艱苦奮斗。
1993年,在日本東京舉行的國際無線電科學聯(lián)盟大會上,科學家們都希望在全球電波環(huán)境惡化到不可收拾前,能建造出新一代射電“大望遠鏡”,以此尋求進一步認識宇宙,解答天文學難題。
當時,在國際天文界享有盛譽的南仁東剛剛回國工作,他力主中國獨立建造射電“大望遠鏡”。
單口徑射電望遠鏡必須建設(shè)在低洼地方,云貴高原的喀斯特洼地進入了南仁東的視線。從1994年開始到2005年,南仁東走遍了300多個洼地,最終選中了貴州南部平塘縣克度鎮(zhèn)一個叫做“大窩凼”的地方。
在選址期間,南仁東也沒有停下尋求技術(shù)合作和經(jīng)費的腳步,他自己坐火車跑了很多科學院校,最后立項申請書上出現(xiàn)了20多個合作單位。他還設(shè)法參加國家會議,積極推銷,“大望遠鏡”慢慢有了名氣。
2006年立項建議書終于被提交,2011年3月項目正式開始, 2016年9月25日落成啟用,中國終于擁有了世界上最大的單口徑射電望遠鏡。
建成后的FAST比阿雷西博射電望遠鏡的綜合性能提高約10倍,并將在未來的20-30年保持世界一流設(shè)備的地位。

這張拼版照片為FAST項目拼裝第一塊反射面板(左上,2015年8月2日攝)、面板安裝近半(右上,2015年12月16日攝)、面板安裝近八成(左下,2016年3月9日攝)、面板安裝即將完成(右下,2016年6月29日攝)。圖源:歐東衢|新華社
從下面的幾組數(shù)據(jù),我們可以窺見“中國天眼”的身形:
大——反射面由4450個反射單元構(gòu)成,總面積為25萬平方米,相當于30個標準足球場那么大。如果把它看成是一口盛滿水的鍋,容量夠全世界每個人分到4瓶水。
巧——30噸的饋源艙通過6根鋼索控制,可以在140米高空、206米的尺度范圍內(nèi)實時定位。
強——能看見更遙遠暗弱的天體,它1分鐘就能發(fā)現(xiàn)的星體,即使把坐標提供給百米口徑的射電望遠鏡,對方也要9分鐘才能看見。
精——500米的尺度上測量角度精確到8角秒,10毫米的定位精度要求最高做到了3.8毫米。
對于安全性問題,F(xiàn)AST總工程師姜鵬表示,“我們進行了可能是有史以來最系統(tǒng)、最大規(guī)模的索疲勞試驗,經(jīng)過近百次失敗,終于研制出超高耐疲勞鋼索,在200萬次循環(huán)加載條件下可達500MPa應(yīng)力幅,國際上尚無先例。”
FAST工程經(jīng)理嚴俊也表示,在建設(shè)階段,F(xiàn)AST獲得了鋼結(jié)構(gòu)、自動化產(chǎn)業(yè)、機械工業(yè)、創(chuàng)新設(shè)計、測繪地理信息技術(shù)、電磁兼容研發(fā)、建設(shè)工程等10余個領(lǐng)域的國家大獎。
FAST也確實不負眾望。
2017年10月10日,國家天文臺收到了由FAST捕獲的首批脈沖星信號,人類首次聆聽到了分別來自1.6萬光年和4100萬光年外的脈沖星信號,這幾乎是宇宙的邊緣。這兩個聲音,讓我國實現(xiàn)了一個零的突破,也使我國在射電天文學領(lǐng)域領(lǐng)先世界平均水平30年。

圖為FAST捕獲的首批脈沖星信號。圖源:紀錄片《南仁東 逐夢天眼》

工作中的南仁東。圖源:紀錄片《南仁東 逐夢天眼》
2020年1月11日,F(xiàn)AST通過國家驗收,投入正式運行,截至2020年11月,它發(fā)現(xiàn)的脈沖星數(shù)量超過240顆。借助“中國天眼”超高的靈敏度,國家天文臺已經(jīng)將脈沖星的計時精度提升至世界原有水平的50倍左右,這將有可能使人類首次具備極低頻的納赫茲引力波的探測能力。
同時,F(xiàn)AST還與天馬望遠鏡成功實現(xiàn)聯(lián)合觀測,在國際甚長基線干涉測量中發(fā)揮重要作用。
回溯歷史,自1609年伽利略利用自制的望遠鏡觀察太空,發(fā)現(xiàn)了月球表面的高低不平,發(fā)現(xiàn)了土星光環(huán),發(fā)現(xiàn)了太陽黑子等天體現(xiàn)象,再到阿雷西博射電望遠鏡的建成、哈勃太空望遠鏡的成功升空,以及FAST的投入使用,人類基于望遠鏡對宇宙的探索從未停止。
正如南仁東所說:人類之所以脫穎而出,從低等的生命演化成現(xiàn)在這樣,出現(xiàn)了文明,就是他有一種對未知探索的精神。
目前,阿雷西博射電望遠鏡雖然坍塌了,但它以往的成就,依舊啟迪著人類探索宇宙。今年9月,F(xiàn)AST也啟動了地外文明的搜索,未來我們將能傾聽來自宇宙更深處的聲音,觀測宇宙更隱蔽的奧秘。
(實習生童詩銘對本文亦有貢獻。)
參考文獻:
1.還是塌了!世界只剩中國FAST一只“天眼”|宋慈,微信公眾號“科技日報”,2020.12.2
2.給外星人發(fā)信的那個望遠鏡,要被拆掉了|魏瀟、李姍珊,微信公眾號“科研圈”,2020.11.20
3.阿雷西博天文臺簡介|第十五屆中國科協(xié)年會——500米口徑球面射電望遠鏡與地方發(fā)展論壇,2013.5.22
4.因為兩根鋼纜,美最大射電望遠鏡將被迫“退役”|劉霞,微信公眾號“科技日報”,2020.11.22
5.wikipedia:AreciboObservatory
6.Threatto world's most powerful radio telescope means we may not hear ET|JacquiGoddard,Daily Telegraph,July 12,2008
7.射電望遠鏡的發(fā)展|羅先漢,《科學》1994年04期
8.觀天巨眼400年系列之十九 射電望遠鏡的誕生|溫學詩,《太空探索》,2003年08期
9.望遠鏡和天文學:400年的回顧與展望|蘇定強,《物理》,2008年12期
10.觀天巨眼400年系列之二十三 世界上口徑最大的阿雷西博射電望遠鏡|吳鑫基,《太空探索》2004年第01期
11.從仰望星空到走向太空——紀念伽利略用天文望遠鏡進行天文觀測400年|路甬祥,《天文學進展》,2010年01期
12.射電望遠鏡的發(fā)展和前景|吳盛殷、南仁東,《天文學進展》,1998年03期
13.中國又一世界之最!觀天巨眼FAST明日完工|央視新聞,2016年7月2日
14.星辰大海,才是它的征途——“中國天眼”通過國家驗收正式開放運行|齊健、王麗、董瑞豐,新華網(wǎng),2020年1月13日
15.紀錄片《南仁東 逐夢天眼》|央視十套
16.探訪天文界的史詩之作:一口傾聽宇宙的貴州巨鍋|王天挺、Nabokov,《ELLEMEN睿士》,2016.7.4
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