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突然畢業了,阿雷西博天文台將永久關閉QQ

科學大抖宅_96
・2020/11/24 ・4201字 ・閱讀時間約 8 分鐘

2020 年 11 月 19 日,美國國家科學基金會(National Science Foundation, NSF)宣布,史上最知名的望遠鏡之一——位於波多黎各(Puerto Rico)的阿雷西博天文台(Arecibo Observatory)即將永久關閉,震驚學界。

阿雷西博天文台乃隸屬於美國國家天文學和電離層中心(National Astronomy and Ionosphere Center, NAIC)的無線電望遠鏡,其最顯著的特徵包括直徑 305 公尺的球面反射器盤(spherical reflector dish),以及懸吊在盤面上方 137 公尺、重約 900 噸、由三座鋼筋混凝土高塔連結 18 條鋼纜所撐起的儀器平台。

俯瞰阿雷西博天文台。圖/Wikipedia

從 1963 年建成以來,阿雷西博天文台一直保持著世界最大單孔徑望遠鏡的紀錄,直到 2016 年為止。它是波多黎各主要的科學教育中心,也培育出許多天文學家和工程師,甚至出現在流行文化裡,如電影《接觸未來》(Contact)和 007 電影《黃金眼》(GoldenEye)。

007 電影《黃金眼》中出現阿雷西博天文台的片段

然而,就在 2020 年 8 月和 11 月,阿雷西博天文台的兩條鋼纜先後斷裂;考量到維修的困難與高風險,這座產出許多科學研究的標誌性天文望遠鏡,面臨被拆解的命運……在這感傷之際,讓我們一起追憶阿雷西博天文台的一生。

冷戰的雷達需求促成天文台誕生

1945 年,因應二戰後的局勢,美國成立了空軍劍橋研究實驗室(Air Force Cambridge Research Laboratories)[1]。在冷戰背景下,其於 1949 年發明了利用電話數據機傳輸數位資料的技術(即早期網際網路傳輸所使用的方式)。1951 年,空軍劍橋研究實驗室的工程師首度發表文章,討論利用球面接收器接收電磁訊號的可能性;同時,美國國防部也因為遠程雷達和通訊的需求,對建造世界最大的天線來研究電離層很有興趣——這促成 1959 年空軍劍橋研究實驗室和康乃爾大學(Cornell University)簽署了成立阿雷西博天文台的合約。

天文台位於波多黎各北海岸的自治市阿雷西博;其設計和建造,由時任康乃爾大學教授的戈登(William Edwin Gordon,1918 – 2010)負責籌劃,於 1963 年落成。

望遠鏡的反射器盤建基於天然形成的滲穴之中,1974 年升級後由 38778 片穿孔鋁板製成;從遠處不同方位過來的電磁波會被盤面反射,分別聚焦於不同位置,懸吊於上空的接收器便會依據觀察目標移動到適當的接收點。

從不同方位過來的電磁波(綠色和紅色平行線條)會被反射器盤反射並聚焦於不同焦點,所以可以藉由接收器的移動來接收天空中不同方向來源的電磁波。圖/Physics today, Volume 66, Issue 11

一如當初的計畫,阿雷西博天文台的主要功用在研究地球的電離層、接收來自遙遠宇宙的無線電波訊號,以及使用雷達技術探索太陽系土星軌道之內的天體。幾十年來,阿雷西博天文台經歷數次升級,一直是天文學和大氣科學的研究重鎮:它擁有世界最大的電磁波接收區(也就是反射器盤);當其他無線電望遠鏡花費數小時才能收集到足夠的電磁波訊號,阿雷西博天文台只需要幾分鐘。

發現脈衝雙星,間接證實重力波

阿雷西博天文台開始運作之後,做出的科學貢獻多不勝數。例如,1964 年天文學家彼騰吉爾(Gordon H. Pettengill, 1926 –)的團隊藉由雷達脈衝發現水星的自轉週期為 59 天,有別於原先認為的 88 天;1968 年,洛夫萊斯(Richard V.E. Lovelace)利用阿雷西博天文台,提供了蟹狀星雲脈衝星(Crab Pulsar, PSR B0531+21,自轉週期 33 毫秒)存在的確切證據,也是第一顆被確認為跟超新星殘骸有關的中子星。

1974 年,赫爾斯(Russell Alan Hulse, 1950 –)和泰勒(Joseph Hooton Taylor Jr., 1941 –)發現第一對脈衝雙星(脈衝星和中子星)系統;之後,其被用來作為廣義相對論的高精度測試——這一項發現成為廣義相對論中,重力波存在的間接證據,也是他們獲得 1993 年諾貝爾物理學獎的重要原因。

1990年,波蘭天文學家沃爾茲森(Aleksander Wolszczan, 1946–)從阿雷西博天文台發現了脈衝星PSR B1257+12,並於兩年後,發現有兩個行星(之後又找到第三個)繞行PSR B1257+12,這也是人類史上第一次發現太陽系外的行星。

除此之外,阿雷西博天文台也能拿來研究天體的地貌:1989 年 8 月,趁著小行星 4769 Castalia 經過,離地球的最近距離僅 4,029,840 公里(約地球到月球距離的 11 倍),科學家利用天文台雷達描繪出小行星 4769 Castalia 的 3D 樣貌;至今,阿雷西博天文台已經研究過數百個近地小行星(near-Earth asteroids, NEAs),除了可以分析它們撞擊地球的可能性,也能幫助我們理解太陽系的起源和演化。1994 年,阿雷西博天文台則被用來研究水星南北極隕石坑內可能存在的冰層。

阿雷西博天文台亦針對星系進行無線電波頻率的大範圍掃描,並於 2008 年發現星系阿普 220(Arp 220)中存在有機化合物分子。另外,在大氣物理學領域,它增進了我們對高層大氣,特別是電離層的認知與理解。

向宇宙發送訊息,等待外星文明回應

阿雷西博天文台的 305 公尺孔徑紀錄,雖然在 2016 年被中國的五百米口徑球面射電望遠鏡(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope, FAST, 簡稱天眼)超越,但阿雷西博天文台的地位卻無法被取代——其中一個很大的原因是,天眼只有接收訊號的功能,沒有發射訊號的設計;而阿雷西博天文台不僅可以接收,也能發射訊號(所以具有雷達的功能)。

最有名的例子,是 1974 年,天文學家德雷克(Frank Drake, 1930–)和其他研究者——包括天文學家兼科普作家薩根(Carl Sagan, 1934 – 1996),設計了知名的阿雷西博訊息(Arecibo Message),內容包含人類的 DNA 結構,和太陽系的介紹等等,以強力的電磁波從阿雷西博天文台發送向距離地球 25000 光年的球狀星團 M13。雖然無法期待在不久的將來能收到回覆,卻是人類主動接觸外星文明的重要嘗試。

反過來說,阿雷西博天文台接收到的無線電波,也能拿來分析是否包含外星智慧文明發出的電磁訊號。於是,在早期美國國家航空暨太空總署(National Aeronautics and Space Administration, NASA)的搜尋地外智慧計畫、或者民間著名的 SETI@home 計畫[2],分析所用的數據,部分便來自阿雷西博天文台。

阿雷西博訊息。顏色為分類、方便閱讀之用,原始訊息不包括顏色。圖/Wikipedia

結構不穩,無可奈何的退役決定

儘管功績卓著,且有著不可替代性,阿雷西博天文台仍然面臨拆除的命運。雖然有在定期維護,但經費的短缺加上歲月的流逝和地震、颶風的侵襲,都增加了望遠鏡結構的不確定性。

首先是 2020 年 8 月 10 日,一根連結到儀器平台、安裝於 90 年代的輔助鋼纜從托座鬆開,破壞了反射器盤面邊緣的鋁板;工程師在檢查損壞狀況時,發現儀器平台的 12 根主要支撐鋼纜中,有一根鋼纜的組成鋼線存在少許損壞,但評估後認為對安全性不造成影響。怎知到了 11 月 7 日,該主要支撐鋼纜從中間斷裂,在靠近反射器盤面中心的區域撕開了大裂口——既然原本認為安全的鋼纜斷了,剩下的鋼纜是否真的安全無虞?又能支撐多久?沒有人知道。

現在,任何時刻都可能有更多鋼纜斷裂或鬆脫,一旦最壞的狀況發生,整個儀器平台將掉落到望遠鏡盤面上,或者損害附近的建物;甚至,任何想要穩定或測試鋼纜的努力都可能加速剩下鋼纜的損壞。為此,美國國家科學基金會正在研擬計畫,在可控的狀況下拆除儀器平台——這是個艱難的決定,但一切以安全為優先。

事實上,出於經濟考量,美國國家科學基金會前些年都在為阿雷西博天文台的經費苦惱:在 2017 年,美國國家科學基金會和國家航空暨太空總署一年分別提供高達 800 萬和 360 萬美元的營運費用,所費不貲;到了 2018 年,才由中佛羅里達大學(University of Central Florida, UCF)承擔阿雷西博天文台的營運,並補足美國國家科學基金會逐年縮減的天文台經費。沒想到人算不如天算,阿雷西博天文台被迫永久關閉,這無疑是科學界的一大損失。

現在阿雷西博天文台的反射器盤面破了一個大洞。圖/University of Central Florida/Arecibo Observatory

研究暫停,無可取代的電波望遠鏡

阿雷西博天文台自 1963 年啟用以來,對天文學、大氣科學和行星科學貢獻良多;它是第一個發現系外行星的望遠鏡,也是搜尋地外文明的重要工具。它在科學教育面向深受好評,每年有十萬人到阿雷西博天文台參觀,包括許多學生;那兒不僅有天文學、高層大氣物理學的展覽,還有可以俯瞰巨大反射器盤面的觀景平台。

儘管年紀大了,但阿雷西博天文台持續升級,原本也預定在接下來數年安裝新儀器,像是將大幅提高望遠鏡靈敏度、價值 580 萬美元的天線――這一切都成為泡影。阿雷西博天文台退休後,許多研究都必須暫停,只有部分計畫得以找到替代設施,或是能夠留在天文台原址繼續進行。往後,我們只能在記錄中,緬懷這座極具歷史意義的無線電望遠鏡,令人唏噓。

註解

[1] 空軍劍橋研究實驗室於 2011 年被整併,最終演化成現今美國空軍研究實驗室(Air Force Research Laboratory)的一部份。空軍研究實驗室致力於領導航太作戰科技的發明、發展和整合,計畫空軍的科學、科技方案並執行,以及為美國空中、外太空和網際空間的部隊提供作戰能力。

[2] SETI@home,是一個通過網際網路利用個人電腦處理天文數據的分布式計算項目;其試圖通過分析無線電望遠鏡收集到的無線電信號,搜尋地外智慧生物存在的跡象。

參考資料

  1. Alexandra Witze, Legendary Arecibo telescope will close forever — scientists are reeling, Nature, Nov. 19 (2020).  
  2. Alexandra Witze, Arecibo telescope wins reprieve from US government, Nature, Nov. 16 (2017) 
  3. Daniel Clery, Famed Arecibo telescope, on the brink of collapse, will be dismantled, Science, Nov. 19 (2020).
  4. Daniel Clery, Adrian Cho, Iconic Arecibo radio telescope saved by university consortium, Science, Feb. 22 (2018).
  5. Daniel Altschuler, Chris Salter, The Arecibo Observatory: Fifty astronomical years, Physics Today 66, 11, 43 (2013).
  6. Paul H. Carr, Early history of Arecibo Observatory, Physics Today 67, 6, 11 (2014).
  7. Telescope Description about Arecibo Observatory
  8. Air Force Research Laboratory – Wikipedia
  9. Arecibo Observatory – Wikipedia

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