从诺贝尔奖到外星人探索：最具科幻感望远镜的辉煌与终章

2020-03-13王善钦

飞碟探索 2020年6期

关键词：脉冲星射电天文学家

文｜王善钦

当地时间2020年12月1日，位于波多黎各的阿雷西博射电望远镜轰然垮塌。当时并没有目击者，等到项目组成员发现时，搭载信号接收机和发射机的巨大的平台已经从高空掉落，砸在阿雷西博望远镜的镜面上。这个直径350米的传奇望远镜寿终正寝。

消息一出，举世震惊。

阿雷西博望远镜是世界上最具科幻感的望远镜。从1963年建成，到2020年坍塌，半个多世纪中，它完成了多项人类探测太空的壮举，内容涵盖脉冲星、引力波探测等诺贝尔奖级别的发现，以及太阳系外行星与外星人探索等多方面。

洲际核导弹

即洲际弹道导弹，通常指射程大于8000千米的弹道式导弹，具有全球覆盖能力，是战略核力量的重要组成部分，一般可（但并非一定）装备1枚核弹头或热核弹头。

阿雷西博望远镜的诞生

20世纪50年代，美国与苏联的冷战意外催生了众多天文项目，阿雷西博射电望远镜就是其中之一。为了确认洲际核导弹重新进入大气层时在电离层引起的真实效应，避免被假弹头欺骗，美国军方与科学界决定建设一个雷达射电望远镜。

为了吊住这么重的平台，工程师们在这块洼地周围的山上建设了3座百米高的钢筋混凝土塔，用10多条钢缆牵引住平台。这3座塔被称为塔4、塔8和塔12。虽然下方由铝板构成的天线“锅”静止不动，但悬挂在上方的信号接收器和发射器是可以运动的。根据观测的目标，工作人员可以将接收器与发射器移动到合适的位置，接收来自宇宙天体的信号或发出去后反射回来的信号。

整个项目从1960年开始建设，于1963年建成。此后一直到2016年，阿雷西博射电望远镜都是世界上最大的单镜面射电望远镜。2016年，中国的500米口径球面射电望远镜（Fivehundred-meter Aperture Spherical radio Telescope，简写为FAST）“天眼”建成，称霸世界53年的阿雷西博望远镜成为世界第二。但阿雷西博望远镜有一个特点仍然未被超越——它既可以接收信号，也可以发射信号。

在建成之后的几十年内，天文学家一边用阿雷西博望远镜观测众多目标，一边对它进行升级。比如，1973年，38 000多块长2米、宽1米的长方形穿孔铝板取代了阿雷西博原来的天线阵。1997年，工程师们又在平台上加装了反射系统。最终，整个平台的质量达到820吨。

从1963年正式建成起，阿雷西博望远镜就不负众望，收获众多成果。这些成果涉及太阳系内天体的研究、小行星防御、发现脉冲星、太阳系外行星探测、外星人探索等众多领域。

太阳系内天体研究：探测+防御

阿雷西博望远镜不仅可以接收天体发出的信号，还可以发射信号并接收回波，这使它可以得到大量太阳系内天体的特征。

1964年，戈登·皮腾吉尔（Gordon Pettengill）的小组就利用阿雷西博望远镜测量了水星的自转周期，发现其为58.8天，而不是此前认为的88天。1980年，天文学家用阿雷西博望远镜向恩克彗星发射信号并接收到回波。1989年，阿雷西博望远镜向小行星4769 Castalia发射信号，天文学家根据接收到的回波确定了这颗小行星的形状，这也是人类历史上首次对小行星直接成像。1994年，约翰·哈蒙（John Harmon）使用阿雷西博望远镜，画出了水星两极区域的冰层分布图。

随着知识经济时代的来临，高等教育规模的扩大，高等教育大众化的性质稀释了高等教育曾经在政治、科技、文化方面所代表的精英属性。在高等教育入读机会容易获得的背景下，高等教育学术质量容易产生“格雷欣法则”，导致高等教育价值在某种程度上被贬值，“新读书无用论”主要认为随着文化资本的贬值，教育的效用不具有实用性，学生开始关注大学场域中其他能够给自己增值的因素和机会。

同时，阿雷西博望远镜还可以通过发射信号、接收回波的方式发现那些可能威胁到地球的小行星，并提供预警，从而成为地球防御计划的成员之一。

从脉冲星、引力波到诺贝尔奖

1968年，当时还在康奈尔大学读研究生的理查德·洛夫莱斯（Richard Lovelace）用阿雷西博望远镜的数据确认了蟹状星云中心脉冲星的周期——33毫秒，进一步确认了脉冲星的存在。蟹状星云是一颗超新星爆发后喷出的物质扩散形成的星云。1054年，中国、日本等国的天文学家都观测并记载了这次超新星爆发。

1974年，约瑟夫·泰勒（Joseph Taylor）与其指导的研究生拉塞尔·赫尔斯（Russell Hulse）在使用阿雷西博望远镜搜寻脉冲星的过程中，发现了由两个脉冲星构成的双脉冲星系统。他们在此后的观测中发现，这对脉冲星在互相靠近，而用爱因斯坦的引力波理论就可以解释这个现象。这个发现间接证明了引力波的存在，二人因此于1993年获得了诺贝尔物理学奖。

哈勃空间望远镜拍摄的蟹状星云的可见光图像，由24张图拼接而成，图中区域的边长约为12光年

1982年，唐纳德·贝克尔（Donald Backer）等人发现了一颗自转周期仅为1.56毫秒的脉冲星，这是人类发现的第1颗毫秒级脉冲星。直到20多年后的2005年，天文学家才发现转得更快的脉冲星。

1994年，亚历山大·沃尔兹森（Aleksander Wolszczan）发表论文，宣布发现了围绕着射电脉冲星运动的一颗行星，它的质量只有月亮那么大。这是人类发现的第1颗太阳系外行星，从此开启了“系外行星”研究的壮丽篇章。2019年，诺贝尔物理学奖就颁发给了在1995年发现“围绕类太阳恒星的系外行星”的两位天文学家。而沃尔兹森因所发现行星并非绕类太阳恒星，而是绕中子星，所以未能分享这一奖项，很是可惜。

脉冲星

大质量恒星爆炸后，大部分会在中心留下中子星，它们几乎完全由中子构成，半径只有10千米左右，质量却比太阳还大一些。中子星高速旋转，同时两极发出强烈辐射。如果中子星发出的辐射周期性地扫过地球，产生的信号就形成一个个脉冲，天文学家将这类中子星称为脉冲星。

从太阳系外行星到外星人

哈勃空间望远镜拍摄的球状星团M13的核心区域，图中光点由可见光与红外线图像合成。M13是梅西耶星云星团表中的第13号天体，包含数十万颗恒星，直径约为150光年，图中核心区域的直径约为26光年

早在第1颗系外行星被发现之前几百年，很多人都猜想，宇宙中的那些恒星也有类似于地球的行星围绕着它们旋转。甚至有人在此基础上提出，太阳系外的行星上也可能产生生命，并可能进化为具有高级智慧的生命——简单来说，就是宇宙中可能存在外星人。

1974年11月16日，阿雷西博望远镜的科学家们做了件至今还颇具争议的大事——他们用阿雷西博望远镜向球状星团M13发射了信号，希望能够被可能生活在那里的外星人接收到。这就是著名的“阿雷西博消息”。

阿雷西博消息由美国著名的天文学家弗兰克·德雷克

（Frank Drake）设计，在卡尔·萨根（Carl Sagan）与其他人的帮助下画出。这条大小只有1679比特的信息，给出了阿拉伯数字、构成人类DNA的化学元素、DNA双螺旋结构、人类特征、太阳与当时认定的九大行星以及阿雷西博望远镜自身的图像。

阿雷西博消息图中最上方白色点表示阿拉伯数字1—10；下方的紫色表示构成脱氧核糖核酸（DNA）的氢、碳、氮、氧与磷的原子数；绿色表示构成DNA的核酸化学成分；下面的白色表示人类DNA的数目；蓝色螺旋形状表示DNA的双螺旋解构；下方红色表示人，左侧蓝白表示人体的高度与宽度，右边白色表示人类；下方黄色表示太阳系中的太阳与当时认定的九大行星，其中第3个行星比其他的高一点，表示这是发射出这一信号的地球；下方粉红色、白色与蓝色为阿雷西博望远镜的大致形状

人类至今未收到这条消息的回音。当然，也不可能在现在就收到回音——M13与地球相距25000光年，阿雷西博望远镜发出的信号要用25000年才能到达那里；即使M13有外星人，而那里的外星人并没有犹豫，就立即回复我们的话，这一回音也要再用25000年才能到达地球。换句话说，阿雷西博望远镜需要向天再借50000年，才有可能接收到来自M13的回音。

最近一些年，阿雷西博望远镜成为“搜寻外星智能”（Search for Extra-terrestrial Intelligence，简写为SETI）项目的成员之一，如今却“出师未捷身先死”，不得不说“长使英雄泪满襟”。

危机、垂危与消逝

就在阿雷西博望远镜一路高歌猛进的同时，危机也渐渐浮现。这些危机可以分为三类：经费危机、升级危机与自然灾害危机。

首先，美国航空航天局（NASA）从2001年就开始削减行星雷达计划方面的经费，到2006年则完全取消资助。更严重的是，为阿雷西博望远镜持续提供经费的美国国家自然科学基金委（National Science Foundation，简写为NSF）也在不断降低经费资助。2007年，阿雷西博望远镜得到的资助约为1000万美元，到2011年，得到的资助仅为400万美元。NSF还决定，如果没有其他经费来源，那么就可能关闭阿雷西博望远镜。

其次，设备的持续升级也成为危机来源。在一次升级过程中，阿雷西博望远镜平台的总重量增大，超过了钢缆的承受极限，为此后钢缆的陆续断裂埋下了巨大隐患。

完整的阿雷西博望远镜平台近景，右下方这根29米长的430兆赫兹仪器，在2017年被飓风损坏

2019年拍摄的阿雷西博望远镜平台近景，左边为上图中的仪器在飓风后的残留物

2020年12月1日，阿雷西博望远镜正式坍塌后的遗迹，可以看到，悬挂平台掉落在镜面上

而最终，自然灾害成为压垮阿雷西博望远镜的最后几根稻草。波多黎各是大西洋上的一座岛屿，经常会被各种飓风光顾。比如，2017年9月21日，玛利亚飓风吹坏了望远镜悬挂平台上的一台仪器，仪器掉落后砸坏了望远镜镜面上的大约30片铝板。紧接着2019年的一次地震，加重了阿雷西博望远镜的“病情”。

2020年8月初，一场新的飓风过境，阿雷西博望远镜因此关闭。飓风过境后不久，阿雷西博望远镜重新开启。很快，支撑辅助平台的塔4上的一条钢缆断裂，缆绳像鞭子一样抽在镜面上，打出一条30米长的伤口。至今人们都无法确定是不是这场飓风导致了钢缆断裂。

项目组决定替换一根新钢缆。不幸的是，新钢缆还没有换上去，塔4上两根主钢缆中的一根又于2020年11月7日断裂，打碎了部分镜面。项目组评估后，认定人们无法安全地维修阿雷西博望远镜，于是决定放弃治疗，择日对它进行拆除。

就在这时，塔4上的另外一根主钢缆也断裂了，整个数百吨重的悬挂平台砸在了镜面上，阿雷西博望远镜彻底走向终章。

失去了什么？

阿雷西博望远镜的悲剧看似偶然，其实也是必然。

过去几十年来，人类建设了许多望远镜，其中一部分可以分别取代阿雷西博望远镜的一些功能，这使得阿雷西博望远镜的重要性逐渐降低，失去了优先级。

比如行星防御方面，由夏威夷大学开发的小行星撞击预警系统（Asteroid Terrestrial-impact Last Alert System，简写为ATLAS）、位于智利帕穹山顶峰的全景巡天望远镜（Large Synoptic Survey Telescope，简写为LSST）都可以完成；比如行星探测方面，最近一些年升空的多个行星探测器可以飞掠甚至环绕行星，直接对众多行星目标进行近距离观测；又如小行星与彗星观测方面，一些探测器已经实现了小行星表面挖土的壮举，如日本的隼鸟2号探测器，已从小行星“龙宫”采样返回，NASA的奥西里斯-雷克斯号探测器也将从小行星“本努”采样返回；而在射电探测方面，一些射电干涉阵望远镜可以达到更好的观测效果。阿雷西博望远镜的基本盘就这样被鲸吞蚕食，最终导致决策层视之为鸡肋。

但上面的分析依然过于功利。阿雷西博望远镜的功能虽然可以被其他望远镜逐渐替代，但其象征意义却是不可磨灭的。它是最具科幻感的望远镜，也是曾获得众多战果的老将，它本应该有一个体面的终章——比如被建设为参观景点。

20世纪80年代就停止观测的威尔逊天文台就是一个好样板。1923年，天文学家哈勃在这里用当时世界上最大的、主反射镜直径为2.54米的胡克光学望远镜，证明仙女座星云其实是银河系外的另一个星系，从而开辟了星系天文学。1929年，哈勃在这里用同一个望远镜发现星系退行的速度与距离成正比，从而证明宇宙在膨胀。同样有着辉煌的观测结果，威尔逊天文台在停止观测之后，就成了景点，里面的望远镜成为文物，吸引了许多游客前往参观。