為眾人創建大型電波望遠鏡形象,阿雷西博望遠鏡的輝煌與終結

作者 | 發布日期 2020 年 12 月 12 日 0:00 | 分類 天文 , 航太科技 Telegram share ! follow us in feedly


如果你看過 007 系列電影與經典的科幻片《接觸未來》,一定對這個場景不陌生:隨著地勢蓋在山谷中的超大碟型天線,上頭懸著大型接收器。沒錯,這就是鼎鼎大名的「阿雷西博電波望遠鏡」(Arecibo Observatory)。

阿雷西博的科學

當然,只當電影場景絕對不是它的建造目標。坐落中美洲加勒比海,屬於美國領土的波多黎各,阿雷西博於 1963 年落成,直到 2016 年中國興建 FAST 電波望遠鏡前,一直是世界最大的單鏡面望遠鏡。依地勢興建的「碟型」天線,阿雷西博只能掃描有限的天空角度,但憑著直徑 305 公尺的天線,對科學也做出許多重要貢獻。

天文學與 SETI

對天文學家來說,阿雷西博無疑是相當好用的電波望遠鏡。太空有許多天體會發射無線電波,從最近的太陽、太陽系內行星、彗星與小行星,到遠方的恆星、星系、星系間塵埃,統統都有因不同物理機制發出無線電波的例子。

1974 年,阿雷西博更發現了「雙波霎」(Binary pulsar),這是兩個相當接近的中子星互相環繞系統。除了相當強的無線電波訊號,強大的重力場,對研究重力的物理學家也提供了劃時代進展。因為這發現,雙波霎研究榮獲 1993 年諾貝爾物理獎。

阿雷西博另一最為人知的計畫,大概就是「搜尋地外文明計劃」(SETI) 了。SETI 計畫是由各種望遠鏡與各種科學方法組成的大型科學計畫,旨在分析並尋找外星發射的文明訊號。阿雷西博的大型天線,使它能接收到最遠 200 光年外的訊號。同時,阿雷西博裝設有電波發射器 (Transmitter),所以也可相反向太空發射地球文明訊號,藉此增加尋找外星文明的機會。

SETI 雖然還沒找到外星人,但協助天文學家接收更多來自宇宙的訊號,並協助了解更多深空天體物理。阿雷西博無疑是 SETI 的主角,持續為地球敞開太空大門。

太空雷達

我們熟悉的雷達通常安裝在軍事設施、機場與氣象局,探測對象也不會離太遠。有沒有想過雷達發射的訊號可打到太空? 阿雷西博正有這個能力,讓科學家多年來靠它探測可能對地球有危害的「近地天體」(Near-Earth objects,NEOs)。

懸吊在碟型天線上方的「巨球」,是阿雷西博的接收平台 (Receiver platform),可說是阿雷西博的心臟。重達 900 噸的平台,從三方向由繩索固定,可說是個大型吊橋。這是懸掛在空中的實驗室,來自碟型天線的電波反射到平台下方後,經過一連串次反射,聚焦到不同的儀器。

▲ 仰視阿雷西博接收平台。中間的球形圓頂為各式科學儀器擺放處,碟型天線的訊號也在此聚焦。上方支架為移動圓頂的機械與支撐結構。

當阿雷西博當成雷達使用時,藉由平台下方的發射器發射無線電波到太空天體,並接收反射回來的電波。當觀測近地天體時,阿雷西博可精準運用都普勒效應,計算近地天體的形狀、自轉與軌道,最重要的計算它們對地球的威脅有多少。阿雷西博可說是地球的保護網。

▲ 阿雷西博於今年 7 月運用行星雷達,觀測到的近地小行星 2020 NK1。可看到狹長的外型。(Source:UCF

大氣科學

阿雷西博可不只是天文學家專用,對大氣科學也有很大貢獻。其實興建阿雷西博時,科學家原本打算將碟型天線焦點放在地球電離層,藉此量化研究地球的大氣層。但完工後阿雷西博比原本設計要大許多,焦點也變成接收平台,當然就讓給天文學家研究了。

不過阿雷西博仍有許多研究大氣科學的儀器。藉由平台發射器發射無線電波到電離層,科學家可研究組成、溫度與密度,更可定義地球大氣與太空的邊界。所以阿雷西博的另一個名字叫「國家天文與電離層中心」(National Astronomy and Ionosphere Center,NAIC)。

留與不留?

阿雷西博為科學界做出許多貢獻時,也慢慢衰老。就在 8 月,57 歲的它出現輔助纜線斷裂情況,原本用來支撐接收平台的纜線,打中下方的碟型天線,造成觀測活動中斷。原本科學家希望「換纜」後,阿雷西博可繼續科學觀測,但 11 月初一條主纜線位移鬆脫,讓整個支撐接收平台的結構出現巨大的危機。

此時,科學與天文界開始為了阿雷西博的去留展開激辯。希望它能繼續觀測的天文學家搬出過往輝煌的研究成果,對近地天體的觀測更是相當重要的數據。但現實面看來,維修阿雷西博與更換電纜的工程實在耗時又耗錢,美國政府對 57 歲的中年望遠鏡也失去了興趣,轉而投資更多經費到更新、更有潛力的設備。

阿雷西博的毀滅

終於 11 月 19 日,美國國家科學基金會正式宣布阿雷西博將退役,並分階段拆除有結構問題的支撐纜線與接收平台。

但誰也沒想到,就在 12 月 1 號早上 7 點,一聲轟隆巨響劃破早晨的寧靜。支撐平台的剩餘纜線應聲斷裂,整個接收平台、900 噸重的心臟與一個纜線塔硬生生撞入下方的碟型天線。雖然造成多大破壞還在評估,但照片與影片仍然震驚所有人。

▲ 阿雷西博倒塌時影片。

失去阿雷西博後?

當然,評估這次破壞程度後,衷心希望能有一些輔助設備與儀器活下來,繼續或轉至其他望遠鏡服役。唯一慶幸的是,碟型天線旁邊的控制室、訪客中心與博物館毫髮無傷,倒塌當下也沒有任何人員傷亡。

還要慶幸的是,阿雷西博並不是唯一能監測近地天體的望遠鏡。地表各大天文望遠鏡與各國人造衛星仍然撒下天羅地網,希望盡早偵測到任何對地球有威脅的天體。中國 FAST 計畫與各國未來先進天文望遠鏡,無疑也能勝任阿雷西博各項科學任務。

但更該反省的是,對「高齡」科學計畫與儀器設備,應盡早讓它們退役,還是盡早「升級」? 如果科研計畫的經費固定,該有多少得致力於「養老」,多少致力於「輔青」? 種種問題都考驗著握有經費的政府組織與有研究經驗的科學家。

至於你和我,倒可以想一想,科學研究計畫與儀器得來不易,當硬體與人類一樣有生與死時,有沒有及時珍惜?

(首圖為阿雷西博空拍圖。碟型天線上方為繩索懸吊的接收平台,右方建築為控制室與訪客中心。圖片來源:阿雷西博天文台