韓越揚(yáng)

2020年12月1日，位于美國波多黎各的阿雷西博天文臺轟然倒塌，引發(fā)了人們的熱議。在007系列電影《黃金眼》里，它是控制在軌衛(wèi)星的重要通信工具，詹姆斯·邦德為了執(zhí)行任務(wù)在它的天線饋源上驚險(xiǎn)攀爬。在《超時(shí)空接觸》里，它是女科學(xué)家最初展開科研工作的地點(diǎn)，開啟了主人公探索宇宙文明的步伐。它如同一只巨眼孤獨(dú)坐落在山坳中，曾經(jīng)如同《三體》中的紅岸基地一般，向宇宙發(fā)送過包含人類文明信息的信號……事實(shí)上，這個(gè)服役超過50年、長期坐擁射電望遠(yuǎn)鏡界頭把交椅的天文臺，不僅外形惹眼，看上去頗有科幻色彩，更有著諸多跨時(shí)代的發(fā)現(xiàn)，是一座名副其實(shí)的天文“弄潮臺”。撥開紛擾的媒體熱議，我們不妨跟隨這部傳奇天文望遠(yuǎn)鏡，來看看射電望遠(yuǎn)鏡的前世與未來吧。

開天眼的夢想與實(shí)現(xiàn)——從光學(xué)望遠(yuǎn)鏡到射電望遠(yuǎn)鏡

星空和宇宙一直是人類文明的向往，從中國古代的渾儀，到西方的占星術(shù)，人類一直在嘗試更多地了解這片大地之外的奧妙。不過一直到了近現(xiàn)代，隨著科技的發(fā)展，人們才真正實(shí)現(xiàn)了開眼看宇宙。

1608年，荷蘭眼鏡商漢斯·李波爾在兒童疊放的透鏡游戲中獲得了靈感，制造出了世界上第一臺望遠(yuǎn)鏡。一年后，意大利天文學(xué)家伽利略·伽利雷偶然聽說了這種儀器，興趣盎然地也自制了一臺，并將其指向了天空，開啟了天文觀測新時(shí)代。

在隨后的數(shù)百年時(shí)間里，人們把用透鏡、面鏡收集光線的結(jié)構(gòu)研究得越來越透徹，了解到望遠(yuǎn)鏡口徑越大，其搜集光線的能力一般也就越強(qiáng)。但做大口徑的過程卻碰到了一個(gè)瓶頸——人們發(fā)覺現(xiàn)有磨鏡工藝很難達(dá)到超大口徑望遠(yuǎn)鏡所要求的精度，粗略來說，就是單一鏡片或者組合鏡片達(dá)不到理想的平滑度。

那么人類觀測探索宇宙的進(jìn)程，要止步于此了嗎？瓶頸的突破在19世紀(jì)初展現(xiàn)了希望的曙光。

最初，科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)中注意到了陽光中一些“不可見”射線（紅外線、紫外線）的存在，但不明所以。1864年，英國科學(xué)家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋發(fā)表論文《電磁場的動(dòng)力學(xué)理論》，從理論上預(yù)測了類似光一樣傳播但“不可見”的電磁波的存在。1887年，德國物理學(xué)家海因里希·赫茲用實(shí)驗(yàn)生成的無線電波證實(shí)了電磁波的存在。隨后無線電發(fā)射和接收器被發(fā)明了出來，無線電通信應(yīng)運(yùn)而生。19世紀(jì)末期至20世紀(jì)初期，科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)中又分別發(fā)現(xiàn)了微波、X射線和γ射線。此時(shí)，包含無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線、X射線、γ射線的電磁波家族初具輪廓，這份隱藏的“光之秘鑰”逐漸浮出水面。

時(shí)間來到1931年，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室里，專門負(fù)責(zé)搜索和鑒別通信干擾信號的工程師卡爾·央斯基發(fā)現(xiàn)他的設(shè)備每隔23小時(shí)56分，就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)比較強(qiáng)的干擾。這個(gè)干擾周期和我們地球自轉(zhuǎn)一圈的時(shí)間相合。也就是說，地球每轉(zhuǎn)一圈，天線就會(huì)收到一次強(qiáng)干擾，那么這個(gè)信號源會(huì)來自哪里呢？經(jīng)過仔細(xì)分析，卡爾·央斯基在1933年發(fā)表了論文《明顯的外太空電子干擾源頭》，在天文界引起了軒然大波。

1937年，美國人格羅特·雷伯基于以上發(fā)現(xiàn)研究出了世界上第一臺射電望遠(yuǎn)鏡，并于1939年接收到了來自銀河系中心的無線電波，繪制出了第一張射電天圖。天文學(xué)家醒悟，可見的宇宙并不是全部的宇宙，星星們還在發(fā)射著其他一些信號，只是我們看不見。由此，射電天文學(xué)誕生了！

不過，細(xì)心的讀者可能會(huì)心生疑問，為什么電磁波里天文學(xué)家單單選擇了無線電波建造望遠(yuǎn)鏡呢？

這是因?yàn)殡姶挪ㄔ诘诌_(dá)地面之前要先穿過地球厚厚的大氣層。而大氣層對各類電磁波都有不同程度的吸收或者說消光作用，比如地球的臭氧層可以有效地吸收大部分的紫外線，保護(hù)我們的皮膚。同樣難以抵達(dá)地面的還有X射線、γ射線，大部分的紅外線以及無線電里的長波射線。對于這些射線的觀測，大部分只能在大氣層外進(jìn)行，這也就是空間望遠(yuǎn)鏡的誕生原因之一。在此暫且按下不表。簡單來說，對于電磁波而言，我們的大氣層像一個(gè)有選擇性的篩子，或者帶窗戶的房頂，只有特定波長的電磁波才能輕松穿過。這種現(xiàn)象也被形象地稱之為大氣窗口。射電望遠(yuǎn)鏡所接收的這部分無線電波段，就是能有效抵達(dá)地面的那部分電磁波，又稱射電波。

通過接收射電波，天文學(xué)家“看見”了一個(gè)“看不見”的宇宙新世界。人類探索宇宙的進(jìn)程，開啟了一個(gè)新紀(jì)元。除此之外，天文學(xué)家還發(fā)現(xiàn)，大口徑射電望遠(yuǎn)鏡的制造難度要比傳統(tǒng)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡低得多。這是由于望遠(yuǎn)鏡鏡片的精度要求其實(shí)與所接收的波長長度有直接關(guān)系。射電望遠(yuǎn)鏡所接收的無線電波長大約是可見光的千倍以上，對精度要求較低，相應(yīng)的，制造超大口徑的射電望遠(yuǎn)鏡也成為可能。再加上，可見光和射電波雖然都能穿過大氣層抵達(dá)地面，可見光卻容易受大氣干擾，比如我們夜晚看到星星一閃一閃“眨眼”的現(xiàn)象，就是大氣干擾可見光的例子。相對而言，射電波就基本不受干擾。射電望遠(yuǎn)鏡在陰天一樣能正常工作，射電天文臺的選址也基本上不用考慮晴天率。

20世紀(jì)60年代，天文學(xué)的一系列發(fā)現(xiàn)和所取得的進(jìn)展中，有四項(xiàng)被譽(yù)為四大天文發(fā)現(xiàn)。它們分別是：星際有機(jī)分子、類星體、宇宙微波背景輻射和脈沖星。這其中，宇宙微波背景輻射和脈沖星的相關(guān)發(fā)現(xiàn)甚至多次獲得諾貝爾獎(jiǎng)。而這四大發(fā)現(xiàn)，無一例外，都是依托射電望遠(yuǎn)鏡研究的成果，從此，屬于射電天文學(xué)的輝煌時(shí)代正式來臨。

觀天巨眼“阿雷西博”——從傳奇到衰落

在各類射電望遠(yuǎn)鏡猶如雨后春筍般冒出來之時(shí)，阿雷西博望遠(yuǎn)鏡以其他望遠(yuǎn)鏡難以望其項(xiàng)背的超大口徑脫穎而出。1963年，阿雷西博望遠(yuǎn)鏡在美國的阿雷西博市建成，口徑值達(dá)305米，一舉成為當(dāng)時(shí)世界上最大單口徑、最靈敏的射電望遠(yuǎn)鏡。

對于為何要建造如此龐大的觀天巨眼，人們也有一些猜測，比如人類學(xué)家會(huì)由此聯(lián)想到人類文明史上的巨物崇拜，但科學(xué)家們的答案其實(shí)很簡單——口徑越大，看得越清楚！

不過大也有大的難處。阿雷西博望遠(yuǎn)鏡坐落于大西洋加勒比海的波多黎各群島上的喀斯特自然天坑之上，群山環(huán)繞，距離美國本土有2000千米的距離。選擇這種地形的原因，是由于單純?nèi)斯ご罱ǖ闹Ъ茈y以支撐超大口徑望遠(yuǎn)鏡的重量，最好有一個(gè)四周環(huán)山的大坑能輔助支撐這口“大鍋”。大自然里就有一種不僅符合支撐要求，還自帶豐富的排水結(jié)構(gòu)的地形，那就是喀斯特自然天坑。但是找到這樣一個(gè)相對完美的大圓坑著實(shí)不易，我國天眼望遠(yuǎn)鏡同樣選擇了類似的地形，光選址就花費(fèi)了12年。

阿雷西博望遠(yuǎn)鏡建成之時(shí)，其主鏡由金屬絲網(wǎng)組成。1974年，主鏡面升級改造為38778塊帶孔鋁板拼接，最高分辨頻率提高近10倍。金屬網(wǎng)和帶孔鋁板的設(shè)計(jì)是為了降低主鏡重量，同時(shí)方便排水，我國的天眼望遠(yuǎn)鏡也采用了類似的結(jié)構(gòu)。1997年，阿雷西博望遠(yuǎn)鏡又加裝了格里高利反射系統(tǒng)與功能更為強(qiáng)大的發(fā)射器，改善了望遠(yuǎn)鏡的聚焦能力與靈活性。隨后周圍還加設(shè)了金屬網(wǎng)篩，以減弱地面干擾。改建后的阿雷西博主鏡面，與其上懸掛的輻射器（饋源）工作平臺，共同由3個(gè)鋼筋混凝土高塔（分別高111米、81米、81米）所連接的18根鋼纜支撐。

建造和改建加固的功夫沒有白費(fèi)，阿雷西博天文臺投入使用多年來，對于科學(xué)研究的貢獻(xiàn)可稱卓絕。其中，最為傳奇也最令世人津津樂道的便是，它曾經(jīng)真的試圖聯(lián)系過外星文明。1974年，阿雷西博為了慶祝改建成功，向距離地球25，000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”。這條信息不僅包含了DNA的結(jié)構(gòu)與成分，還包含了太陽系的信息以及人的外形。沒錯(cuò)，與很多射電望遠(yuǎn)鏡不同的是，它不光可以接收無線電信號，還能夠向外太空發(fā)射無線電信號，其科研目標(biāo)本身也涉及了大眾關(guān)心的“外星人搜尋”工作（Search for Extraterrestrial Intelligence）。當(dāng)然，主動(dòng)向外太空發(fā)射信息的舉動(dòng)一時(shí)之間也掀起了軒然大波，引得人們浮想聯(lián)翩。對此持反對態(tài)度的科學(xué)家著實(shí)不少，就像《三體》中提到的黑暗森林法則，他們認(rèn)為向未知智慧生命暴露我們的信息是十分不理智的，極有可能就是在預(yù)定末日審判。阿雷西博由此也獲得了“出圈”效應(yīng)，成了許多科幻影視游戲的取景地。

但事實(shí)上，阿雷西博天文臺主要的研究方向遠(yuǎn)不是“尋找外星人”這么簡單，它在射電天文學(xué)、大氣科學(xué)、雷達(dá)天文學(xué)等領(lǐng)域都有著諸多驚人發(fā)現(xiàn)。比如第一次探測到了引力波，成功測量了水星的自轉(zhuǎn)周期，第一次直接觀測到小行星影像，輔助發(fā)現(xiàn)了第一批系外行星等。它好比一個(gè)巨人，將人類扛起，看到了更遠(yuǎn)、更寬闊的宇宙，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)又一個(gè)的新大陸。

隨著時(shí)代進(jìn)步，人類也開始有能力建造更大的觀天巨眼。2016年，中國500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST天眼）的建成打破了阿雷西博的記錄，躍居世界最大單口徑射電望遠(yuǎn)鏡的寶座。摘下世界第一光環(huán)的阿雷西博仿佛走向了命運(yùn)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

2017年，阿雷西博天文臺受颶風(fēng)影響，導(dǎo)致線路斷裂砸破了主鏡面的30多塊鋁板，引起了運(yùn)營方與贊助方的擔(dān)憂。

2018年，阿雷西博由新的運(yùn)營方接手，運(yùn)營資金大縮水。

2020年8月，熱帶風(fēng)暴伊薩亞斯過境，吹斷了一根輔助電纜，在望遠(yuǎn)鏡發(fā)射盤上砸出了一條長30米的裂口。

2020年11月初，還沒等維修人員將新購的電纜更換好，另一根電纜又?jǐn)嗔恕?/p>

接連幾次的事故，讓相關(guān)機(jī)構(gòu)對阿雷西博其他部件的安全性產(chǎn)生了質(zhì)疑。

2020年11月19日，美國國家科學(xué)基金會(huì)宣布，阿雷西博望遠(yuǎn)鏡正式退役。

然而阿雷西博并沒有能夠“體面”退役。2020年12月1日，阿雷西博望遠(yuǎn)鏡的幾根承重鋼纜不堪重負(fù)，迅速斷裂，導(dǎo)致整架望遠(yuǎn)鏡轟然倒塌，主鏡面四分五裂，一地狼藉，令人唏噓。

目前，美國國家科學(xué)基金會(huì)也表示，阿雷西博望遠(yuǎn)鏡已很難修復(fù)，唯一可行的方案是徹底拆除然后重建。希望在未來的某一天，我們還能夠再次見到阿雷西博的身影。

從單眼到復(fù)眼——更大更好更強(qiáng)的未來

不過，類似阿雷西博天文臺這樣的射電望遠(yuǎn)鏡雖然口徑很大，但其觀測也存在很強(qiáng)的局限性。最大的問題在于，它本身是無法進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的，因此只能隨著地球的自轉(zhuǎn)，觀察一個(gè)特定區(qū)域范圍內(nèi)的天體。也可以說，這是超大單口徑射電望遠(yuǎn)鏡難以規(guī)避的問題。

與之相對的，口徑較小，但是全可動(dòng)的望遠(yuǎn)鏡，就凸顯出了特別的存在價(jià)值。目前人類建造的最大的全可動(dòng)射電望遠(yuǎn)鏡是位于美國西弗吉尼亞的綠岸天文臺的綠岸望遠(yuǎn)鏡（Green Bank Telescope，GBT），該望遠(yuǎn)鏡口徑有100米，重7700噸，造型十分科幻。望遠(yuǎn)鏡完全可動(dòng)，可以觀察地平線5度以上的所有天空。劉慈欣《三體》中所提到的紅岸基地在熟悉天文的幻迷看來，可能有現(xiàn)實(shí)中這座天文臺的影子。

但若想要探測更暗弱的目標(biāo)，就必須擁有更高的分辨本領(lǐng)，因此擴(kuò)大口徑是一個(gè)繞不過的門檻。可無論是全可動(dòng)望遠(yuǎn)鏡，還是像阿雷西博、天眼這樣依托自然地形的不可動(dòng)望遠(yuǎn)鏡，其口徑都有局限性。有沒有什么辦法可以更好地?cái)U(kuò)大望遠(yuǎn)鏡的口徑呢？

甚長基線干涉測量技術(shù)（Very-Long-Baseline Interferometry，VLBI）就是一個(gè)非常好的方法。這種方法能允許用多個(gè)天文望遠(yuǎn)鏡同時(shí)觀測一個(gè)天體，模擬出一個(gè)口徑相當(dāng)于望遠(yuǎn)鏡之間最大間隔距離的巨型望遠(yuǎn)鏡的觀測效果。因此，理論上來說，望遠(yuǎn)鏡之間的距離有多遠(yuǎn)，那么望遠(yuǎn)鏡組合有效口徑就能有多大。在電影《超時(shí)空接觸》中，主人公接受到來自外星信號的天文臺其實(shí)并非“阿雷西博”這樣的巨無霸，而是這樣的望遠(yuǎn)鏡陣列。

如今在實(shí)際天文觀測中，這樣的組合拳也已經(jīng)開始發(fā)揮作用。2019年4月10日，天文學(xué)家公布了一張黑洞照片，這也是人類歷史上的第一張黑洞照片。拍攝這張照片的望遠(yuǎn)鏡被稱為事件視界望遠(yuǎn)鏡（Event Horizon Telescope， EHT），包括南極望遠(yuǎn)鏡（SPT）、阿塔卡馬亞毫米望遠(yuǎn)鏡實(shí)驗(yàn)（ASTE）、大型毫米波望遠(yuǎn)鏡（LMT）在內(nèi)的十余臺望遠(yuǎn)鏡，組成了一臺有效口徑接近半個(gè)地球大的超大型射電望遠(yuǎn)鏡。這臺望遠(yuǎn)鏡連續(xù)觀測了五個(gè)晝夜，收集到了7PB（相當(dāng)于7168TB）的海量數(shù)據(jù)，再經(jīng)過數(shù)年的數(shù)據(jù)處理和分析，最終將黑洞的真面目展現(xiàn)在我們眼前。

這個(gè)橫掃國內(nèi)外各大社交平臺的天文熱點(diǎn)資訊，其實(shí)也吹響了世界各大天文機(jī)構(gòu)的合作號角。

未來，如果人類有足夠的技術(shù)能登陸月球或者火星，并在上面修建觀測基地，我們或許還將擁有口徑為地月距離甚至地火距離的超大型望遠(yuǎn)鏡。屆時(shí)，我們對宇宙的了解，也將更上一個(gè)臺階。

【責(zé)任編輯：艾 珂】