5.阿雷西博望远镜

大家好！欢迎来到我的播客月球空间站。今天是第5期，讲讲阿雷西博望远镜。

阿雷西博望远镜位于波多黎各，佛罗里达州迈阿密东南1600公里，是加勒比海上的一个小岛，岛上有卡斯特地貌，就是那种四周高，中间低的盆地，正好适合建大型望远镜。波多黎各是美国的一个自治邦，根据我粗浅的理解，类似于香港澳门在中国的地位。插句题外话，刚刚结束的奥运会，美国拿了39块金牌，位列第一，但是这个金牌数是根据每个国家和地区的奥委会来统计的。一个主权国家是可以有好几个奥委会的。如果按照国家来，波多黎各拿了1块，加上美国本土，一共40块，而中国大陆拿了38块，香港1块，台湾2块，一共41块，所以中国应该排第一的。

说回这个望远镜，正式名称叫阿雷西博天文台，它是由美国自然科学基金委管理，又叫国家天文和电离层研究中心，简称NAIC，之前呢，干脆叫阿雷西博电离层观测。至于为什么叫这个名字，稍后我会讲。这个望远镜口径有305米，利用了卡斯特地貌的天然地形，反射面是一个球面，也就是说在望远镜的上空能找到一个位置是球心，望远镜上任何一个点到这个球心的距离都相等。在反射面的上空168米处，有一个中央平台，由钢缆吊起，里面安装了接收机以及雷达发射装置。望远镜1963年完工，直到2016年中国的FAST启用之前，它都是世界上最大的望远镜。

阿雷西博望远镜在射电天文方面做出了很多重要发现，但是呢，最初建设它的目的并不是研究天文，而是研究电离层，这也是它叫做阿雷西博电离层天文台的原因。为什么要研究电离层呢？因为电离层的高度是80到1000公里，导弹就在这个高度飞行，所以关于电离层的一切研究军方都很感兴趣。另一方面，1957年苏联发射了人类第一颗人造卫星Sputnik 1号。这个事件震惊了美国人，直接促成了1958年国防高等研究计划属DARPA以及美国国家航天局NASA的诞生。NASA这个机构就不说了，经常在各种电影中出现。DARPA其实也很有名，是神盾特工局的现实版。这些机构当年确实资助了很多看起来就很科幻的研究项目。这些呢，就是Gordon研究电离层以及建设阿雷西博的背景。这个望远镜的特点呢，除了口径大，还有就是具备主动发射电磁波的能力，说白了，这个望远镜其实是一个雷达。望远镜最初由William Gordon在1958年提出，目的是通过散射效应研究地球高空电离层的密度和温度。通常来说频率10MHz以下，波长超过30米的长波电磁波会被电离层完全反射，这也是长波通讯的原理，但是长波通讯的距离太短。Gordon注意到地球以上数千公里的高空电离层对电磁波有散射效应，也许可以用来做远距离通讯。研究来，研究去，发现这种散射太弱了，没法进行实际应用。但是他突然灵机一动，这种散射没法用于通讯，但是可以用于研究电离层本身啊！于是Gordon在1958年下半年领导一个小组进行了相关的计算，结果表明300米口径的天线可以满足要求。这个工作整理了一份报告，提交给了军方，这也是阿雷西博望远镜最初的设计文档。就在报告提交之前的一个月，Kenneth Bowles做了一个实验，证实Gordon小组的计算基本正确，但是达到预期目标并不需要这么大的天线。然而Bowles的结果被Gordon小组以及决策机构有意无意的忽略了，之后所有的规划都是按照300米口径进行的。用现在的话讲，造这么大的望远镜完全是一次乌龙，但这是一个幸运的乌龙，300米口径使得望远镜获得了超高的灵敏度。如果按照Bowles正确的参数进行设计，如果只是完成电离层研究的既定目标，天线可以造的小得多，但是就永远不会有之后六十年阿雷西博望远镜一系列伟大的成就了。Bowles的研究差点把阿雷西博搅黄，这种事情其实之前还发生过一次。英国的Jodrell Bank天文台二战刚结束就建设了76米的全可动反射面天线，现在已经是世界文化遗产了。它的创立者Lovell在1941年提出一个天线方案来研究宇宙射线。同一时间一位科学家进行了计算，指出如果要做宇宙射线研究的话，天线的口径需要比之预计的大得多。幸运的是这项研究因为二战的原因被忽视了。Lovell回忆说，如果1941年天线筹备阶段就注意到这项研究的话，会认为建设76米的天线是天方夜谈，根本不会往下进行。幸亏这项研究被忽视了，于是Jodrell Bank天文台基于最初的小口径天线方案开工建设。二战之后科学家意识到这项计算是对的，既然项目已经开工，于是就继续进行，天线口径也调整为大得多的76米。这件事告诉我们，错误的计划并不一定是坏事。这件事让我想到了人生，岁数越大越觉得，一切都是命，每个人都有注定的命数，对于人生的规划都是徒劳的。

望远镜最初的设计是一个抛物面，中央平台架设在主反射面以上150米的地方，接受装置可以前后移动7米。望远镜可以追踪以天顶为中心，周围2度左右的区域。由于地球的自转，望远镜的观测区域一直在变化。2度的观测范围刚好可以追踪雷达发射的电磁波到太阳距离再反射回来，这样可以研究金星，水星等内地行星，甚至太阳本身。设计方案提出来之后，不断有人建议增加望远镜的观测范围，因为那样的话科学产出会大得多。最终的方案是反射面采用球面设计，接收机的移动范围扩大，可观测天区扩展到天顶南北各20度。这样针对一个源的持续跟踪时间延长到了2.6个小时，这段时间内雷达发射的电磁波可以到达土星再返回地球被望远镜接收，这也是阿雷西博作为雷达的最长观测距离。

阿雷西博最初确实被用作超级雷达。阿雷西博之前天文学家普遍认为水星已经潮汐锁定，即自转周期和公转周期相同，都是88天。潮汐锁定在行星系统中很常见，比如月球就经历了潮汐锁定，它的自转周期和围绕地球的公转周期一样，都是28天左右，所以月亮始终有一面对着地球，另外一面地球上的人永远都看不到。1965年阿雷西博对水星开展了雷达观测，发现它的自转周期是59天，并没有潮汐锁定。金星由于大气非常稠密，很难看到其真实地表。1967年阿雷西博的雷达观测发现金星的自转周期是245天，并且跟绕太阳的公转方向相反。所以在金星上太阳是从西边升起的。对金星和水星的观测精确测定了地球到太阳的距离，也就是一个天文单位的长度，这是用视差法测定恒星距离的基础，也是接下来测量近邻星系，遥远星系，乃至整个宇宙大小的基础。

1974年，作为一台功率强大的发报机，阿雷西博向球状星团M13给假想中的地外文明发出了第一条信息。这条信息非常有名，被称作阿雷西博消息。这条消息由地外文明研究的先驱德雷克以及著名科学家科普作家卡尔萨根设计。有一系列01组成。如果外星人足够智慧的话，应该有能力破译这条信息。发送消息的时候，三体还没有出版，所以他们一定不知道黑暗森林理论，不然很可能就不会跟外星人通讯了。不过现在覆水难收，我们只能等待外星人的反应了。

同样是1974年，阿雷西博发现了第一个脉冲双星系统，就是说两颗脉冲星相互绕转。广义相对论预测这样的系统会产生引力波辐射，双星系统损失能量，靠的越来越近，相互绕转的越来越块。他们持续观测了数十年，观测到的绕转变快的速度和广义相对论预测的非常符合。这项工作间接证明了引力波的存在，是广义相对论的一项重要验证。这项工作的两位科学家也因此获得了1993年的诺贝尔物理学奖。有人可能会问，太阳系八大行星绕着太阳转，月亮绕着地球转，为什么没有观测到引力波辐射？这是因为引力波辐射非常微弱，两个大质量天体以非常近的距离快速绕转时，才有可能产生非常强的引力波，比如这个脉冲双星系统，两颗中子星的质量都是1.4倍太阳质量，相互间的距离最近时为74.6万公里，相当于地球到月球之间距离的两倍，每7.7个小时就要绕着转一圈。作为对比，我们的太阳系，太阳和行星之间距离要大得多，行星个头也不太大，引力波辐射的功率只有五千瓦，只相当于两台空调，是脉冲双星系统辐射功率的680万亿亿分之一，弱鸡太多了。那么为什么只有阿雷西博能够看到这对脉冲双星，其他望远镜看不到呢？最最主要的原因就是它口径太大了，灵敏度比其望远镜高的多。这就跟打拳一样，为什么要分为不同的重量级呢？你技术练的再好，在绝对重量带来的绝对力量和绝对防御力面前，都显得不堪一击。

每隔2到3年，阿雷西博都要做出一项震惊世界的发现，每一项都值得大书特书，但是听众可能没什么兴趣，我就挑着说。

时间快进到90年代，又是凭借其超高的灵敏度，阿雷西博发现了一个系外行星系统。起初这只是一颗普通的脉冲星，后来发现它的周期有些不规则，1992年一篇著名的论文终于意识到这是因为有一颗行星绕着它转。这个发现震惊了天文界，因为之前天文学家认为行星系统中间的恒星应该是像太阳这样的主序星，不可能是中子星。所以这个发现也改写了行星形成理论。这是人类发现的第一颗地外行星，而且是在射电波段发现的，后续的发现主要集中在光学波段，目前已经发现了四千多颗。

2012年，阿雷西博发现了一个快速射电暴事件。之前介绍Parkes时已经说过，这是射电波段一种高能爆发现象，持续时间只有几毫秒。快速射电暴的探测涉及到海量射电原始数据的分析，只有在最近一十二年计算机性能上去之后才成为可能。这个爆发事件初看没什么稀奇的，并且也不是第一个被发现的，但是它邪门就邪门在它会重复爆发：这是当时发现的第一个会重复爆发的快速射电暴。这个发现对理论解释形成了巨大挑战：现在可能需要两种理论来分别解释重复暴和非重复暴了。

阿雷西博望远镜已经运行了超过半个世纪，不仅在科学界出名，还在一部007电影《黄金眼》以及根据卡尔萨根小说改编的电影《接触》中出过镜。但是，跟它的名气不匹配的是，望远镜并没有得到很好的维护。美国政府数度削减其预算，别说升级设备，连日常运行都是勉强维持。终于在2020年八月份，在观测遥远的河外星系NGC 7469时，望远镜的指向突然出了问题，后来知道，这是因为牵引中央平台的其中一根辅助钢缆，有8厘米粗，断掉了。这跟钢缆把反射面砸出了一个30米的大窟窿。就在工作人员设计维修方案时，11月6日，一根主钢缆也断了。美国自然科学基金会评估之后，觉得修复方案太过危险，而且望远镜运行了大半个世纪已经够本了，于是在11月19日做出决定，停止运行，逐步将其拆除。NGC 7469也成为了望远镜观测的最后一个目标。自然科学基金委的决策还是很明智的。就在12月1日，拆除工作还没有启动时，剩下的钢缆再也支撑不住中央平台的重量，900吨重的平台和钢缆重重地砸下来，把整个反射面砸的稀碎。

作为后续，美国科学家并不打算在原地建造一个一模一样的天线，因为这样设计已经过时了。他们提出了一个新的项目，叫做下一代阿雷西博。这个项目计划在原址建设1000座口径10米的望远镜阵列。这个阵列将采用现在最先进的数字波束合成技术，各项性能指标都将获得极大提升。整个项目耗资45亿美元，目前尚不知道是否能够得到足够的财政支持。小望远镜组阵是毫无疑问的下一代射电望远镜技术，虽然有很多技术问题需要解决，但是其带来的在观测范围，换源速度，观测带宽，灵敏度等方面的提升同样是惊人的。想想看，一前面射电望远镜密密麻麻的排布在一起，同时盯着一个目标看，那副场景还是很科幻的。我其实一直有一个有些阴谋论的想法。美国科学界也许早就想推进属于下个时代的望远镜组阵技术了，但是阿雷西博的存在无疑会占用大量资源，并且它的名气太大，早已出圈。贸然停掉，不但某些还在用它做观测的科学家不同意，连美国人民都不会同意。于是就慢慢缩减它的运行经费，不给它做维护，更不做升级，让它一点一点坏掉，之后就能够建设新的设备了。以美国人的性格是完全有可能这样做的，二战时美国一直没有参战，因为美国人民不答应，而政府高层很清楚一场战争是避免不了的，但是苦于没有一个契机。后来就有了日本偷袭珍珠港，据说美国情报机构早就知道这次偷袭，但是故意不做准备，只是把几艘航母开出去躲着。等偷袭结束，舆论大哗，美国政府就有充足的理由参与战争，后来的故事都知道了。德国和日本被打败，苏联和美国成了当时世界上唯二的超级大国。

阿雷西博的故事就这样讲完了，持续半个多世纪，功勋卓著，虽然只是一部机器，但是并不冰冷，给我的感觉，它就像一个人，经历了完整而精彩的一生。躯壳虽然不在了，但是英雄故事永远为人所传颂。最后用一首诗结束这期播客：老骥伏枥，志在千里，烈士暮年，壮心不已。

https://authors.library.caltech.edu/17042/1/Arecibo_Genesis_JAH2_2009.pdf

https://en.wikipedia.org/wiki/Arecibo_Telescope

https://en.wikipedia.org/wiki/Jodrell_Bank_Observatory

https://www.naic.edu/ao/legacy-discoveries

https://en.wikipedia.org/wiki/PSR_B1257%2B12

https://www.science.org/news/2021/01/how-famed-arecibo-telescope-fell-and-how-it-might-rise-again

https://en.wikipedia.org/wiki/Hulse%E2%80%93Taylor_binary

https://www.nature.com/articles/nature17168