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带上好奇的眼睛——“阿雷西博”及射电望远镜的传奇

文/韩越扬

2020年12月1日，位于美国波多黎各的阿雷西博天文台轰然倒塌，引发了人们的热议。在007系列电影《黄金眼》里，它是控制在轨卫星的重要通信工具，詹姆斯·邦德为了执行任务在它的天线馈源上惊险攀爬。在《超时空接触》里，它是女科学家最初展开科研工作的地点，开启了主人公探索宇宙文明的步伐。它如同一只巨眼孤独坐落在山坳中，曾经如同《三体》中的红岸基地一般，向宇宙发送过包含人类文明信息的信号……事实上，这个服役超过50年、长期坐拥射电望远镜界头把交椅的天文台，不仅外形惹眼，看上去颇有科幻色彩，更有着诸多跨时代的发现，是一座名副其实的天文“弄潮台”。拨开纷扰的媒体热议，我们不妨跟随这部传奇天文望远镜，来看看射电望远镜的前世与未来吧。

开天眼的梦想与实现——从光学望远镜到射电望远镜

星空和宇宙一直是人类文明的向往，从中国古代的浑仪，到西方的占星术，人类一直在尝试更多地了解这片大地之外的奥妙。不过一直到了近现代，随着科技的发展，人们才真正实现了开眼看宇宙。

1608年，荷兰眼镜商汉斯·李波尔在儿童叠放的透镜游戏中获得了灵感，制造出了世界上第一台望远镜。一年后，意大利天文学家伽利略·伽利雷偶然听说了这种仪器，兴趣盎然地也自制了一台，并将其指向了天空，开启了天文观测新时代。

在随后的数百年时间里，人们把用透镜、面镜收集光线的结构研究得越来越透彻，了解到望远镜口径越大，其搜集光线的能力一般也就越强。但做大口径的过程却碰到了一个瓶颈——人们发觉现有磨镜工艺很难达到超大口径望远镜所要求的精度，粗略来说，就是单一镜片或者组合镜片达不到理想的平滑度。

那么人类观测探索宇宙的进程，要止步于此了吗？瓶颈的突破在19世纪初展现了希望的曙光。

最初，科学家在实验中注意到了阳光中一些“不可见”射线（红外线、紫外线）的存在，但不明所以。1864年，英国科学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦发表论文《电磁场的动力学理论》，从理论上预测了类似光一样传播但“不可见”的电磁波的存在。1887年，德国物理学家海因里希·赫兹用实验生成的无线电波证实了电磁波的存在。随后无线电发射和接收器被发明了出来，无线电通信应运而生。19世纪末期至20世纪初期，科学家在实验中又分别发现了微波、X射线和γ射线。此时，包含无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线的电磁波家族初具轮廓，这份隐藏的“光之秘钥”逐渐浮出水面。

时间来到1931年，美国贝尔实验室里，专门负责搜索和鉴别通信干扰信号的工程师卡尔·央斯基发现他的设备每隔23小时56分，就会出现一个比较强的干扰。这个干扰周期和我们地球自转一圈的时间相合。也就是说，地球每转一圈，天线就会收到一次强干扰，那么这个信号源会来自哪里呢？经过仔细分析，卡尔·央斯基在1933年发表了论文《明显的外太空电子干扰源头》，在天文界引起了轩然大波。

1937年，美国人格罗特·雷伯基于以上发现研究出了世界上第一台射电望远镜，并于1939年接收到了来自银河系中心的无线电波，绘制出了第一张射电天图。天文学家醒悟，可见的宇宙并不是全部的宇宙，星星们还在发射着其他一些信号，只是我们看不见。由此，射电天文学诞生了！

不过，细心的读者可能会心生疑问，为什么电磁波里天文学家单单选择了无线电波建造望远镜呢？

这是因为电磁波在抵达地面之前要先穿过地球厚厚的大气层。而大气层对各类电磁波都有不同程度的吸收或者说消光作用，比如地球的臭氧层可以有效地吸收大部分的紫外线，保护我们的皮肤。同样难以抵达地面的还有X射线、γ射线，大部分的红外线以及无线电里的长波射线。对于这些射线的观测，大部分只能在大气层外进行，这也就是空间望远镜的诞生原因之一。在此暂且按下不表。简单来说，对于电磁波而言，我们的大气层像一个有选择性的筛子，或者带窗户的房顶，只有特定波长的电磁波才能轻松穿过。这种现象也被形象地称之为大气窗口。射电望远镜所接收的这部分无线电波段，就是能有效抵达地面的那部分电磁波，又称射电波。

通过接收射电波，天文学家“看见”了一个“看不见”的宇宙新世界。人类探索宇宙的进程，开启了一个新纪元。除此之外，天文学家还发现，大口径射电望远镜的制造难度要比传统光学望远镜低得多。这是由于望远镜镜片的精度要求其实与所接收的波长长度有直接关系。射电望远镜所接收的无线电波长大约是可见光的千倍以上，对精度要求较低，相应的，制造超大口径的射电望远镜也成为可能。再加上，可见光和射电波虽然都能穿过大气层抵达地面，可见光却容易受大气干扰，比如我们夜晚看到星星一闪一闪“眨眼”的现象，就是大气干扰可见光的例子。相对而言，射电波就基本不受干扰。射电望远镜在阴天一样能正常工作，射电天文台的选址也基本上不用考虑晴天率。

20世纪60年代，天文学的一系列发现和所取得的进展中，有四项被誉为四大天文发现。它们分别是：星际有机分子、类星体、宇宙微波背景辐射和脉冲星。这其中，宇宙微波背景辐射和脉冲星的相关发现甚至多次获得诺贝尔奖。而这四大发现，无一例外，都是依托射电望远镜研究的成果，从此，属于射电天文学的辉煌时代正式来临。

观天巨眼“阿雷西博”——从传奇到衰落

在各类射电望远镜犹如雨后春笋般冒出来之时，阿雷西博望远镜以其他望远镜难以望其项背的超大口径脱颖而出。1963年，阿雷西博望远镜在美国的阿雷西博市建成，口径值达305米，一举成为当时世界上最大单口径、最灵敏的射电望远镜。

对于为何要建造如此庞大的观天巨眼，人们也有一些猜测，比如人类学家会由此联想到人类文明史上的巨物崇拜，但科学家们的答案其实很简单——口径越大，看得越清楚！

不过大也有大的难处。阿雷西博望远镜坐落于大西洋加勒比海的波多黎各群岛上的喀斯特自然天坑之上，群山环绕，距离美国本土有2000千米的距离。选择这种地形的原因，是由于单纯人工搭建的支架难以支撑超大口径望远镜的重量，最好有一个四周环山的大坑能辅助支撑这口“大锅”。大自然里就有一种不仅符合支撑要求，还自带丰富的排水结构的地形，那就是喀斯特自然天坑。但是找到这样一个相对完美的大圆坑着实不易，我国天眼望远镜同样选择了类似的地形，光选址就花费了12年。

阿雷西博望远镜建成之时，其主镜由金属丝网组成。1974年，主镜面升级改造为38778块带孔铝板拼接，最高分辨频率提高近10倍。金属网和带孔铝板的设计是为了降低主镜重量，同时方便排水，我国的天眼望远镜也采用了类似的结构。1997年，阿雷西博望远镜又加装了格里高利反射系统与功能更为强大的发射器，改善了望远镜的聚焦能力与灵活性。随后周围还加设了金属网筛，以减弱地面干扰。改建后的阿雷西博主镜面，与其上悬挂的辐射器（馈源）工作平台，共同由3个钢筋混凝土高塔（分别高111米、81米、81米）所连接的18根钢缆支撑。

建造和改建加固的功夫没有白费，阿雷西博天文台投入使用多年来，对于科学研究的贡献可称卓绝。其中，最为传奇也最令世人津津乐道的便是，它曾经真的试图联系过外星文明。1974年，阿雷西博为了庆祝改建成功，向距离地球25,000光年的球状星团M13发送了一串由1679个二进制数字组成的信号，称为“阿雷西博信息”。这条信息不仅包含了DNA的结构与成分，还包含了太阳系的信息以及人的外形。没错，与很多射电望远镜不同的是，它不光可以接收无线电信号，还能够向外太空发射无线电信号，其科研目标本身也涉及了大众关心的“外星人搜寻”工作（Search for Extraterrestrial Intelligence）。当然，主动向外太空发射信息的举动一时之间也掀起了轩然大波，引得人们浮想联翩。对此持反对态度的科学家着实不少，就像《三体》中提到的黑暗森林法则，他们认为向未知智慧生命暴露我们的信息是十分不理智的，极有可能就是在预定末日审判。阿雷西博由此也获得了“出圈”效应，成了许多科幻影视游戏的取景地。

但事实上，阿雷西博天文台主要的研究方向远不是“寻找外星人”这么简单，它在射电天文学、大气科学、雷达天文学等领域都有着诸多惊人发现。比如第一次探测到了引力波，成功测量了水星的自转周期，第一次直接观测到小行星影像，辅助发现了第一批系外行星等。它好比一个巨人，将人类扛起，看到了更远、更宽阔的宇宙，发现了一个又一个的新大陆。

随着时代进步，人类也开始有能力建造更大的观天巨眼。2016年，中国500米口径球面射电望远镜（FAST天眼）的建成打破了阿雷西博的记录，跃居世界最大单口径射电望远镜的宝座。摘下世界第一光环的阿雷西博仿佛走向了命运的转折点。

2017年，阿雷西博天文台受飓风影响，导致线路断裂砸破了主镜面的30多块铝板，引起了运营方与赞助方的担忧。

2018年，阿雷西博由新的运营方接手，运营资金大缩水。

2020年8月，热带风暴伊萨亚斯过境，吹断了一根辅助电缆，在望远镜发射盘上砸出了一条长30米的裂口。

2020年11月初，还没等维修人员将新购的电缆更换好，另一根电缆又断了。

接连几次的事故，让相关机构对阿雷西博其他部件的安全性产生了质疑。

2020年11月19日，美国国家科学基金会宣布，阿雷西博望远镜正式退役。

然而阿雷西博并没有能够“体面”退役。2020年12月1日，阿雷西博望远镜的几根承重钢缆不堪重负，迅速断裂，导致整架望远镜轰然倒塌，主镜面四分五裂，一地狼藉，令人唏嘘。

目前，美国国家科学基金会也表示，阿雷西博望远镜已很难修复，唯一可行的方案是彻底拆除然后重建。希望在未来的某一天，我们还能够再次见到阿雷西博的身影。

从单眼到复眼——更大更好更强的未来

不过，类似阿雷西博天文台这样的射电望远镜虽然口径很大，但其观测也存在很强的局限性。最大的问题在于，它本身是无法进行旋转的，因此只能随着地球的自转，观察一个特定区域范围内的天体。也可以说，这是超大单口径射电望远镜难以规避的问题。

与之相对的，口径较小，但是全可动的望远镜，就凸显出了特别的存在价值。目前人类建造的最大的全可动射电望远镜是位于美国西弗吉尼亚的绿岸天文台的绿岸望远镜（Green Bank Telescope, GBT），该望远镜口径有100米，重7700吨，造型十分科幻。望远镜完全可动，可以观察地平线5度以上的所有天空。刘慈欣《三体》中所提到的红岸基地在熟悉天文的幻迷看来，可能有现实中这座天文台的影子。

但若想要探测更暗弱的目标，就必须拥有更高的分辨本领，因此扩大口径是一个绕不过的门槛。可无论是全可动望远镜，还是像阿雷西博、天眼这样依托自然地形的不可动望远镜，其口径都有局限性。有没有什么办法可以更好地扩大望远镜的口径呢？

甚长基线干涉测量技术（Very-Long-Baseline Interferometry, VLBI）就是一个非常好的方法。这种方法能允许用多个天文望远镜同时观测一个天体，模拟出一个口径相当于望远镜之间最大间隔距离的巨型望远镜的观测效果。因此，理论上来说，望远镜之间的距离有多远，那么望远镜组合有效口径就能有多大。在电影《超时空接触》中，主人公接受到来自外星信号的天文台其实并非“阿雷西博”这样的巨无霸，而是这样的望远镜阵列。

如今在实际天文观测中，这样的组合拳也已经开始发挥作用。2019年4月10日，天文学家公布了一张黑洞照片，这也是人类历史上的第一张黑洞照片。拍摄这张照片的望远镜被称为事件视界望远镜（Event Horizon Telescope, EHT），包括南极望远镜（SPT）、阿塔卡马亚毫米望远镜实验（ASTE）、大型毫米波望远镜（LMT）在内的十余台望远镜，组成了一台有效口径接近半个地球大的超大型射电望远镜。这台望远镜连续观测了五个昼夜，收集到了7PB（相当于7168TB）的海量数据，再经过数年的数据处理和分析，最终将黑洞的真面目展现在我们眼前。

这个横扫国内外各大社交平台的天文热点资讯，其实也吹响了世界各大天文机构的合作号角。

未来，如果人类有足够的技术能登陆月球或者火星，并在上面修建观测基地，我们或许还将拥有口径为地月距离甚至地火距离的超大型望远镜。届时，我们对宇宙的了解，也将更上一个台阶。

【责任编辑：艾珂】