帶上好奇的眼睛

韓越揚

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)行任務在它的天線饋源上驚險攀爬。在《超時空接觸》里，它是女科學家最初展開科研工作的地點，開啟了主人公探索宇宙文明的步伐。它如同一只巨眼孤獨坐落在山坳中，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……事實上，這個服役超過50年、長期坐擁射電望遠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，更有著諸多跨時代的發(fā)現(xiàn)，是一座名副其實的天文“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鏡，來看看射電望遠鏡的前世與未來吧。

開天眼的夢想與實現(xiàn)——從光學望遠鏡到射電望遠鏡

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，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鏡。一年后，意大利天文學家伽利略·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代。

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

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

最初，科學家在實驗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，英國科學家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋發(fā)表論文《電磁場的動力學理論》，從理論上預測了類似光一樣傳播但“不可見”的電磁波的存在。1887年，德國物理學家海因里?！ず掌澯脤嶒炆傻臒o線電波證實了電磁波的存在。隨后無線電發(fā)射和接收器被發(fā)明了出來，無線電通信應運而生。19世紀末期至20世紀初期，科學家在實驗中又分別發(fā)現(xiàn)了微波、X射線和γ射線。此時，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。

時間來到1931年，美國貝爾實驗室里，專門負責搜索和鑒別通信干擾信號的工程師卡爾·央斯基發(fā)現(xiàn)他的設備每隔23小時56分，就會出現(xiàn)一個比較強的干擾。這個干擾周期和我們地球自轉一圈的時間相合。也就是說，地球每轉一圈，天線就會收到一次強干擾，那么這個信號源會來自哪里呢？經(jīng)過仔細分析，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，射電天文學誕生了！

不過，細心的讀者可能會心生疑問，為什么電磁波里天文學家單單選擇了無線電波建造望遠鏡呢？

這是因為電磁波在抵達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，保護我們的皮膚。同樣難以抵達地面的還有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行，這也就是空間望遠鏡的誕生原因之一。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。射電望遠鏡所接收的這部分無線電波段，就是能有效抵達地面的那部分電磁波，又稱射電波。

通過接收射電波，天文學家“看見”了一個“看不見”的宇宙新世界。人類探索宇宙的進程，開啟了一個新紀元。除此之外，天文學家還發(fā)現(xiàn)，大口徑射電望遠鏡的制造難度要比傳統(tǒng)光學望遠鏡低得多。這是由于望遠鏡鏡片的精度要求其實與所接收的波長長度有直接關系。射電望遠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，相應的，制造超大口徑的射電望遠鏡也成為可能。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60年代，天文學的一系列發(fā)現(xiàn)和所取得的進展中，有四項被譽為四大天文發(fā)現(xiàn)。它們分別是：星際有機分子、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發(fā)現(xiàn)甚至多次獲得諾貝爾獎。而這四大發(fā)現(xiàn)，無一例外，都是依托射電望遠鏡研究的成果，從此，屬于射電天文學的輝煌時代正式來臨。

觀天巨眼“阿雷西博”——從傳奇到衰落

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

對于為何要建造如此龐大的觀天巨眼，人們也有一些猜測，比如人類學家會由此聯(lián)想到人類文明史上的巨物崇拜，但科學家們的答案其實很簡單——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鏡的重量，最好有一個四周環(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構的地形，那就是喀斯特自然天坑。但是找到這樣一個相對完美的大圓坑著實不易，我國天眼望遠鏡同樣選擇了類似的地形，光選址就花費了12年。

阿雷西博望遠鏡建成之時，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)和帶孔鋁板的設計是為了降低主鏡重量，同時方便排水，我國的天眼望遠鏡也采用了類似的結構。1997年，阿雷西博望遠鏡又加裝了格里高利反射系統(tǒng)與功能更為強大的發(fā)射器，改善了望遠鏡的聚焦能力與靈活性。隨后周圍還加設了金屬網(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，阿雷西博天文臺投入使用多年來，對于科學研究的貢獻可稱卓絕。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M13發(fā)送了一串由1679個二進制數(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的結構與成分，還包含了太陽系的信息以及人的外形。沒錯，與很多射電望遠鏡不同的是，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，其科研目標本身也涉及了大眾關心的“外星人搜尋”工作（Search for Extraterrestrial Intelligence）。當然，主動向外太空發(fā)射信息的舉動一時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)度的科學家著實不少，就像《三體》中提到的黑暗森林法則，他們認為向未知智慧生命暴露我們的信息是十分不理智的，極有可能就是在預定末日審判。阿雷西博由此也獲得了“出圈”效應，成了許多科幻影視游戲的取景地。

但事實上，阿雷西博天文臺主要的研究方向遠不是“尋找外星人”這么簡單，它在射電天文學、大氣科學、雷達天文學等領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。它好比一個巨人，將人類扛起，看到了更遠、更寬闊的宇宙，發(fā)現(xiàn)了一個又一個的新大陸。

隨著時代進步，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的轉折點。

2017年，阿雷西博天文臺受颶風影響，導致線路斷裂砸破了主鏡面的30多塊鋁板，引起了運營方與贊助方的擔憂。

2018年，阿雷西博由新的運營方接手，運營資金大縮水。

2020年8月，熱帶風暴伊薩亞斯過境，吹斷了一根輔助電纜，在望遠鏡發(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，另一根電纜又斷了。

接連幾次的事故，讓相關機構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，美國國家科學基金會宣布，阿雷西博望遠鏡正式退役。

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

目前，美國國家科學基金會也表示，阿雷西博望遠鏡已很難修復，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。

從單眼到復眼——更大更好更強的未來

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

與之相對的，口徑較小，但是全可動的望遠鏡，就凸顯出了特別的存在價值。目前人類建造的最大的全可動射電望遠鏡是位于美國西弗吉尼亞的綠岸天文臺的綠岸望遠鏡（Green Bank Telescope，GBT），該望遠鏡口徑有100米，重7700噸，造型十分科幻。望遠鏡完全可動，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)實中這座天文臺的影子。

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

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

如今在實際天文觀測中，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鏡被稱為事件視界望遠鏡（Event Horizon Telescope， EHT），包括南極望遠鏡（SPT）、阿塔卡馬亞毫米望遠鏡實驗（ASTE）、大型毫米波望遠鏡（LMT）在內(nèi)的十余臺望遠鏡，組成了一臺有效口徑接近半個地球大的超大型射電望遠鏡。這臺望遠鏡連續(xù)觀測了五個晝夜，收集到了7PB（相當于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。

這個橫掃國內(nèi)外各大社交平臺的天文熱點資訊，其實也吹響了世界各大天文機構的合作號角。

未來，如果人類有足夠的技術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鏡。屆時，我們對宇宙的了解，也將更上一個臺階。

【責任編輯：艾 珂】