这个曾经闻名世界的望远镜坏了,而且坏得很严重

释放双眼,带上耳机,听听看~!

在我国的“天眼”FAST建成之前,有这样一个望远镜,它一直是射电天文领域里最大的望远镜,并保留这一名号约五十年之久,它便是位于美国波多黎各岛上的阿雷西博望远镜(Arecibo Observatory)

似乎新的崛起就预示着旧的衰败,最近这一望远镜受飓风影响,反射镜面上被砸开了一个三十多米长的大口子,让本身就气息奄奄的阿雷西博再次雪上加霜。


令人意外的事故

北京时间8月4号的上午,北大西洋一级飓风“伊萨亚斯”在美国北卡罗来纳州的东南部沿岸登陆。从地图上看,阿雷西博所在的波多黎各也是较早一批遭受侵袭的地方之一。

阿雷西博望远镜的所在位置和此次飓风的侵袭路线 (图片来源:wikipedia.org)

为了避免极端天气的影响,望远镜短暂关闭了观测,希望可以逃过此劫。可惜在随后的几天里,望远镜还是出事了。

美国东部时间8月10日凌晨两点钟左右,用于支撑望远镜型信号接收器的缆绳突然断裂,并砸到了下面的反射面板上。这根缆绳直径将近8厘米,如此的一砸,砸开了一个长约30米的大口子,导致约有250块反射面板损坏,同时底下支撑面板的绳索也坏了一些,整个望远镜的框架也出现了一些变形。

损坏的阿雷西博射电望远镜(图片来源:University of Central Florida)

这样的事故无疑是灾难性的。整个望远镜无疑会在较长的一段时间内无法观测了。好一点可能几个月,糟糕一年也不是没有可能。这也预示着很多该望远镜观测的科学子项目要么延期,要么只能转而寻找其他观测设备(这里暗示一下FAST)。罪魁祸首无疑是那根悬在望远镜上方一百多米的缆绳,不过目前工程师们还在排查具体的事故原因。

在8月14日的记者招待会上,阿雷西博望远镜的主管就向前来的记者解释道,这一支撑的线缆在设计的时候就有很长的寿命,按理说可以再维持15-20年,所以线缆的断裂确实很让人迷惑。

不过当我们联想到阿雷西博是上世纪六十年代就建成的时候,难免不让我们联想设备老化、年久失修这类的词汇。

曾经不朽的第一

与FAST这样生来就用来从事射电天文不同,阿雷西博的建造还是冷战时军事博弈的产物。它最初的设计目标之一是可以飞行中的苏联导弹头。所以,相对于普通的射电望远镜只能接收电磁信号,它有着一点巨大的不同,那就是它同时还是一台可以发射信号的雷达。它1963年正式建造完毕上线的时候,正式的科学用途是探索地球电离层的结构。其本身搭载的雷达可以电离层发射信号,而后接收发射回来的信号以便后续的研究分析。

这里有个鲜为人知的小故事。当时为了研究电离层,需要计算多大的望远镜才能达到要求,有科学家计算得到的理想尺度是1000 英尺,刚好是现今的阿雷西博口径(305 米),后来也确实这么建了。这一工程在那个时代确实是个奇迹,研究团队们难以置信地克服了很多技术难关。后来气象科学家发现,完成电离层的探测根本不需要如此大的口径,他们用一个小得多的镜子也同样取得了理想的效果。所以虽然前一个科学家的结论错了,既然建都建了,这么大的口径浪费也属实可惜,接着才有了它在天文领域大展身手的故事。

从空中看阿雷西博望远镜(图片来源:space.com)

阿雷西博的原始口径为305米,到1974年的时候在外围“编织”的一圈外网。如此大的口径让人们难以设计支架来支撑它,转而利用和FAST相同的喀斯特地形优势,将反射面板沿着修整后的环境进行铺设。大锅由38778块穿孔的铝板制成,每片的大小约为1米 2米。

我们需要避免的一个认识误区是,它和普通铺瓷砖地板不同,每片面板并不是直勾勾地“镶嵌”在地面上,而是脱离地面的,下面有钢缆网进行支撑。所以我们回顾那张损坏的照片时,会发现底下除了茂盛的植被,还有很多牵拉的缆绳。

上图是阿雷西博大锅的外围,下图是从望远镜底部向上看的情形 以及反射面板图 根据电磁学方面的特性,面板不需要做成实心的,所以我们从望远镜的底部向天空看的时候,会发现除了支撑的边框几乎无遮无栏(FAST也差不多)(图片来源:University of Central Florida)

在大锅上方的150米处,还有一个重达900吨的接收机平台。这一平台被三个百米左右的塔架延伸过去的18根电缆所维持,平台最关键的则是下部可移动的接收机,用于接收不同天区的电磁波信号。

望远镜上方悬挂着的信号接收设备,它可以在平台上移动(图片来源:University of Central Florida)

由于望远镜搭载雷达,除了星系、脉冲星这样的射电探测外,它还可以通过信号发射,探测近地的小行星,为地球起到良好的预警作用。就在望远镜坏掉的前几天,它还认了一颗与地球擦肩而过的小行星。

最新通过阿雷西博发现的小行星2020 NK1,其直径只有1 km左右(图片来源:University of Central Florida)

在我们的天眼 FAST诞生之前,从1963年到2016年,阿雷西博一直保持着世界最大射电望远镜的名誉。

从辉煌到窘态

在望远镜建成十年之际,由著名天文学家卡尔萨根和德雷克的主持下,向距离地球25万光年的球状星团M13中心发送了一串由1679个二进制数字组成的信号,如果外星人能够正确解码这一串信息,他们将获得一系列的数字和图形,可以帮助外星人对地球产生基本的认识。里面包含了二进制表示的从1到10十个数字,核苷酸的化学式、DNA的双螺旋形状,人类外形,太阳系组成等。这一信息被称之为阿雷西博信息。

阿雷西博信息 这一试图向外星智慧生命联系的信号的行为比旅行者1号还早了三年(图片来源:wikipedia.org)

这个望远镜建成之后除了天文学界的欢欣鼓舞,它还是电影里的名场面。1995年的经典电影《007之黄金眼》就曾在阿雷西博取景。而在1997年的电影《超时空接触》里,搜寻地外信号的女主角天文学家艾莉就在此待过一段时间,这部电影成功的将外星生命的话题推向了一个高潮,阿雷西博也随之进一步名声大噪。

上图为《007之黄金眼》剧照 ,下图为《超时空接触》剧照(图片来源:space.com)

关键在于,除了建设一个望远镜,日常的科研项目开支也要钱。尽管阿雷西博很实用,在当时可以扫描很大的天区,不过搜寻外星人的行动也不能光靠爱发电。执行SETI计划如此,从事其他天文学目标的研究也如此。

从2006年开始,由盛转衰的苗头开始涌现。自那一年起,美国国家科学基金会(NSF)就动起了削减经费的念头,提出要在2007年~2011年将预算从一千万美元砍到四百万美元。如果没有其他经费来源,这样的当头一棒会迫使望远镜关停。

经过这些年的口水纷争,现在的阿雷西博主要靠弗罗里达大学的经费苦苦支撑。虽然它为人类做出了巨大的贡献,但是经过半个世纪的风风雨雨,其各个部件也在逐渐老化。由于沿海的地理环境,它每年还要禁受飓风的袭击。

前的阿雷西博看起来宛如垃圾场(图片拍摄:Xavier Garcia/Bloomberg/Getty)

让我们再来看看事故前的画面。图片里的阿雷西博因为无人维修,锅里的反射面板已经开始大面积生锈,远远看去,就像一个大型的垃圾场。杂草丛生,昔日的荣光早已不在,再来对比我们的崭新大锅,不得不令人唏嘘。


再度回顾这场事故

尽管造成此次大裂缝的线缆为什么断裂的原因还未知,但是原因基本上离不开年久失修、设备老化这几个字。具体的损坏评估也还在进行当中。所幸的是这次事故中没有人员受伤。事件发生当地时间在凌晨2:45分,所以观测站里没有人,而如果发生在白天,就可能有人受伤了。

支撑线缆损坏的照片(图片来源:University of Central Florida)

仪器方面,其特有的雷达部分没有损失,只有大锅坏了,后期至少需要更换250块面板。所以天文台处的负责人Cordova说,会尽快修复设备让其重新运转,不过暂时还没有提及需要修多久,修的钱从哪出。时间可能会是几个月,也可能会是几年;修缮的资金目前还是个未知数,个人猜测光靠弗罗里达大学的支撑不太可能完成这一维修工作。

其实这也不是阿雷西博第一次受到创伤了,过去就发生过很多大大小小的事故,只不过这一次的最严重。上一次的创伤发生于2017年9月21日,飓风玛莉亚带来的强风导致悬在大锅上的一根天线掉了下来,砸坏了38778块铝板中的约30块。修补这这些砸坏的铝板容易,而重新铺设天线不容易。由于阿雷西博的大部分观测依靠位于圆顶中的馈源和接收器,平时也很少用到那根天线(所以干脆就不管它了)。总体而言,这次的损伤还算小的。可惜我们从新闻中知悉到,即便是如此微小的创伤到现在还没算完全修复好,可想而知这一次的维修需要多久了。

阿雷西博关停的期间,势必有很多观测项目要转移到其他望远镜上。如果追求单口径高分辨率、高信噪比的图像,FAST将会是最佳的接棒者,预期后续申请使用FAST的科学项目也会更多一些。

结语

望远镜是喜新不厌旧的,虽然我们的FAST在性能上比阿雷西博强大的多,但是我们也不希望阿雷西博从此一蹶不振。多一个设备的观测就能多一份数据,也预示着能在天文学中多出一分成果。阿雷西博的研究同样覆盖着广泛的研究内容,从银河系和星系的演化,到暗物质暗能量和宇宙大尺度结构的研究,都有它的身影,可谓是为功勋卓著。

尽管FAST在技术上相比阿雷西博进步太多,但是作为吃瓜群众的我们,还是理应从阿雷西博的厄运中思考一番:我们应该怎么做,才能保护我方的大锅?


关于阿雷西博望远镜,作者有如下内容需要说明:

1. 在1974年的时候过一次很大的翻修,将主反射面板换成了铝板。没有经过扩建,这点系笔者写作错误。在外围“编织”的一圈外网是屏蔽来自地面的电磁波信号的。这样的大口径难以设计支架来支撑它,是利用喀斯特地形优势直接建造的。

2. 之前军方认为阿雷西博开展的电磁层研究会帮助导弹防御系统的构建,并不是用它来直接反导。这一点受中文资料误导,特此致歉。

3. 在这次的事故中,除了“锅面”,馈源舱也有损坏。不过在我写作期间,并没有查阅到明显的馈源舱受损的证据,也是限于篇幅,就没有继续介绍了。但是现在这个节点上,包含馈源的穹顶(Gregorian Dome)的确有面板损坏。

4. 关于望远镜直径,阿雷西博的原始直径为305米,不少中文资料会援引百度百科的阿雷西博词条:“阿雷西博……直径达305米,后扩建为350米”。经过重新查阅资料,请教老师后得知,天文学界没有过350米这一说法,其口径一直是305米。

5. 文章提到:“为了避免极端天气的影响,望远镜短暂关闭了观测,希望可以逃过此劫”。关闭观测与躲台风的因果关系:台风来临时理论上是可以观测的,但是面对极端天气时还是以保护望远镜为主。关闭望远镜确实躲避不了台风,不过,相对于在台风中依旧动来动去的馈源,保持不动似乎更可以“逃过此劫”。这个地方仍然保留自己的看法。

[1]. A Broken Cable Has Smashed a Huge Hole in The Arecibo Observatory https://www.sciencealert.com/a-broken-cable-smashed-a-huge-hole-in-the-arecibo-observatory

[3]. The investigation into why a cable mysteriously broke on the Arecibo Observatory has begun https://www.space.com/arecibo-observatory-cable-failure-investigation.html

[5]. Arecibo Observatory Returns from Tropical Storm Isaias Lockdown to Track Asteroid for NASA https://solarsystem.nasa.gov/news/1421/arecibo-observatory-returns-from-tropical-storm-isaias-lockdown-to-track-asteroid-for-nasa/

[7]. 喜新不厌旧 我们需要阿雷西博与FAST望远镜http://suo.im/5ZNSyr

本文来自微信公众号:科学大院(ID:kexuedayuan),作者:乘凉

科技公司

你的数据正在被克隆?

2020-9-11 16:54:20

心理占卜书科技公司

如果没有智能手机,人类将会怎样?

2020-9-11 17:03:40

0 条回复 A文章作者 M管理员
    暂无讨论,说说你的看法吧
个人中心
今日签到
有新私信 私信列表
搜索