ALMA，组大团~望深空~

2020年2月，一册神秘的“彩超”影集点燃了众多天文学家的热情。她，娓娓道出，猎户座分子云中，新生代恒星如何在自己的胚胎期就已为行星的“呱呱坠地”悉心准备。而图片中蓝色影像上所标注的四个字母“ALMA”，让不少人觉得似曾相识。YES！黑洞照片！2019年4月，人类历史上第一张黑洞照片横空出世时，仿佛也是它，在“甜甜圈”所带来的视觉冲击中，若隐若现，犹抱琵琶半遮面~

那么，ALMA到底是什么？特别之处在哪里？它能做些什么？今天，就让我们带着这些问题，与大家一起，揭开这位幕后英雄的神秘面纱，一睹其庐山真面目……

神秘“彩超”，ALMA科学成果图 | 图源：ALMA

ALMA是什么？“牛”到没朋友的望远镜阵列……

ALMA，发音“阿尔玛”，全名“阿塔卡玛大型毫米波/亚毫米波阵列”（Atacama Large Millimeter/submillimeter Array），位于智利北部阿塔卡玛沙漠里的查南托（Chajnantor）高原上。那里海拔5000米，空气干燥 ，人烟稀少，是全世界公认的天文观测绝佳之地，拥有内陆最优的毫米波/亚毫米波地面观测条件。ALMA是四大洲联手的杰作：由欧洲、北美和东亚合作建造，安放于南美洲的智利。它于2003年破土动工，2013年3月正式投入使用，可谓“十年磨一剑”。

ALMA科普漫画 | 图源：紫金山天文台

ALMA是目前全球最大规模的射电天文观测设备，是一个由66架抛物面天线组成的干涉阵，包括54架12米口径的天线和12架7米口径的天线。它的威力主要来自它的好“眼神儿”：高空间分辨率和大集光面积。ALMA巧妙地以阵列形式，让66架天线联合作战（干涉），天线彼此间距最长达16千米，实现了相当于一台口径16千米单天线的空间分辨率，在最短工作波长的空间分辨率比哈勃望远镜都高出约10倍。66架天线同时收集信号，成就了集光面积最大的毫米波/亚毫米波望远镜，可以看到更暗弱的信号。

ALMA，看别“镜”所不能看，名副其实地成为茫茫黑夜里，毫米波/亚毫米波天文学家看深空最明亮的眼睛。

ALMA组成示意图 | 图源：紫金山天文台

ALMA的特别之处在哪里？毫米波/亚毫米波……

顾名思义，ALMA的工作波段“毫米波/亚毫米波”是其特别之处。这个波段位于电磁波谱中射电的最短波段，是技术最难、对台址条件要求最高的天文观测波段。那么，为什么天文学家要在不同波段进行探索和研究呢？主要原因在于，宇宙中天体或物质产生的辐射各有不同。某些会落在特定波长区间，只有工作于该波长范围的望远镜才能对其探测；而有些虽然能在多个波段探测到，但其所呈现的影像大相径庭，多波段共同研究可以更详尽地对其进行了解。

同一星系在不同波段下的呈现 | 图源：Chandra

大家耳熟能详的“中国天眼（FAST）”和“哈勃空间望远镜”，与ALMA的区别之一便在于波段不同。FAST与ALMA同属射电波段，但FAST的波长更长；哈勃空间望远镜，则工作于可见光和紫外波段。ALMA所在的毫米波/亚毫米波段，其最大特点在于，可以穿透宇宙尘埃，使天文学家更好地理解被尘埃所遮挡的、宇宙形成更早期的状态。

电磁频谱图 | 图源：紫金山天文台

ALMA当前的工作波段覆盖0.32-3.6mm，对应频率区间约80-950GHz（G：109）。除尚在研制阶段的第一和第二波段采用半导体接收技术外，目前工作的八个波段均采用高灵敏度超导接收技术，即：超导隧道结（SIS：Superconductor-Insulator-Superconductor）混频。其中，第三和第六波段由北美承担研制；第四、第八和第十波段由日本承担研制；第五、第七和第九波段由欧洲承担研制。

ALMA工作波段分布和承研概况 | 图源：紫金山天文台

去年轰动一时的黑洞照片，让许多小伙伴知道了事件视界望远镜（EHT），EHT中毫无争议的头号功臣便是ALMA。而当初有幸给黑洞拍照的，就是ALMA的第六工作波段（1.3mm/230GHz）。

在ALMA早期建设阶段，紫金山天文台的团队参与了第八和第十波段超导SIS接收机的研发，向ALMA工程贡献了核心技术。黑洞照片拍摄的下一步计划，极可能落在第八波段（850μm/350GHz）。让我们一起期待黑洞那更为清晰的照片吧~~

ALMA能做什么？井喷！井喷！前方高能……

ALMA，作为一个有灵魂的望远镜阵列，拥有着无与伦比的观测能力和观测效率。而它，从披上战衣那一刻起，也确实没让全世界天文学家失望。回首过往，ALMA以其出色的科学表现，圈粉无数。尤其近3年，每年以近200篇的科学论文呈井喷之势。当我们点开ALMA网站上“discoveries”的页面时，一大波令人震撼的科学成果与新发现，伴随着一张张炫美的图片，扑面而来。

那么，ALMA到底可以看什么……

从宇宙最遥远的存在，到我们的太阳系，ALMA纵览无余。

◎ 恒星和行星的行成：恒星和行星都诞生于冷气体尘埃的暗云中，一般望远镜无法穿透尘埃，只能看到暗暗的区域。而在毫米波/亚毫米波波段，尘埃变的“透明”，ALMA可以清晰地看到其内部状态，目睹新生代恒星的诞生。

◎ 黑洞、星系起源与演化：ALMA作为一个可以“回到过去”的望远镜，可以“回看”到宇宙的边缘，从而给我们讲述宇宙起源、超大质量黑洞和星系形成最原初的故事。同时，还能探测到恒星生命走到尽头时，超新星爆发所产生的尘埃，让我们更好地了解恒星的整个生命过程。

◎ 化学复杂性起源：ALMA已经成功地从星际空间探测到了氧气、水、盐，以及糖和一批复杂有机分子。宇宙中多样的复杂有机分子和生命关联物质都出现在毫米波/亚毫米波段，ALMA可以使人类更好地探索化学复杂性起源。

……

最后，让我们共享ALMA所带来的视觉盛宴，携手星辰大海的征途……

上：ALMA部分科学成果，（左）爱因斯坦环；（中）年轻恒星的原行星盘中发现复杂有机分子；（右）环绕新生恒星的雪线，行星及其卫星的摇篮。下：ALMA全貌图 | 图源：ALMA

参考资料：

1）https://www.almaobservatory.org/en/home/

2）http://kids.alma.cl/category/discoveries/

3）https://chandra.harvard.edu/photo/2002/0157/

4）亚毫米波射电天文研究与ALMA国际合作项目项目建议书，紫金山天文台等，2004.10.

5）听说，“看见”黑洞是靠“三明治”？为硬核SIS打call！

作者简介

李婧，中国科学院紫金山天文台研究员，研究方向：射电天文、太赫兹探测和超导电子学。

杨戟，中国科学院紫金山天文台研究员，研究方向：星际分子云与恒星形成、射电天文技术方法。

主编：毛瑞青

绘图：张璇

轮值主编：苏杨

编辑：王科超、高娜