世界失去一只“眼睛”——阿雷西博望远镜57年留下了什么？

近日，美国的阿雷西博射电望远镜垮塌，世界上只剩中国FAST一只“天眼”。阿雷西博在服役的57年中有哪些科学贡献？它和FAST有何异同？

撰文/记者 丁林 编辑/丁林

新媒体编辑/陈炫之

12月1日，位于美国海外属地波多黎各的阿雷西博望远镜因结构失控而发生垮塌。人们纷纷感叹，世界失去了一只“眼睛”。

△望远镜仪器平台垮塌瞬间（图片来源：businessinsider.com）

阿雷西博望远镜于1963年建成，口径305米，在其主镜盘上方接近150米的高处，悬吊着重达900吨的科学设备平台。在2016年9月“中国天眼”500米口径球面射电望远镜（FAST）建成前的53年中，它一直是世界最大的单口径射电望远镜（这类望远镜区别于传统的光学望远镜，接收的是无线电信号）。

在半个多世纪的服役期间，阿雷西博望远镜曾数次遭飓风、热带气旋和地震的冲击，一直安然无恙。2017年9月，四级飓风玛利亚过境波多黎各之后，望远镜长达29米的430兆赫兹天线发生断裂并掉到主镜盘上，损坏了38000块铝板中的约30块，但并未对望远镜主体造成过多损坏。

今年8月和11月，阿雷西博望远镜的辅助钢缆、主钢缆先后断裂。11月19日，望远镜的主管单位美国国家科学基金会宣布阿雷西博望远镜将退役，并以可控方式拆除。但正当全世界的科学家在网络上联名请求美国官方取消这一决定时，阿雷西博望远镜的设备平台突然倒塌，3座支撑塔的顶部也均发生断裂。

△阿雷西博望远镜发生垮塌前后对比（图片来源于网络）

在匆匆谢幕之前，阿雷西博望远镜曾经为人类揭开各种天体的秘密，从与地球擦身而过的小天体，到遥远星系传来的无线电波脉冲，都逃不过这只锐利的“眼睛”。

半个世纪的研究硕果

周期性发射脉冲讯号的天体“脉冲星”于1967年被发现，天文学家原本认为它们属于白矮星。但是1968年，阿雷西博望远镜发现了蟹状星云中心一颗脉冲星发出的33毫秒间隔脉冲——如此惊人的速度不可能是白矮星发出。阿雷西博的这一发现，使“脉冲星是快速旋转的中子星”理论得到坚实的支持。

1982年，阿雷西博望远镜又发现了一颗脉冲间隔仅为1.6毫秒的脉冲星PSR 1937+21，这是当时观测到最快的脉冲频率，也是第一颗被发现的“毫秒脉冲星”。之前的仪器虽然能探测到这些脉冲，却很难将脉冲分辨出来。但这项发现让天文学家感到疑惑：随着年龄的增长和能量的消耗，脉冲星的旋转会逐渐减慢。随后他们意识到：年老的中子星通过吸取临近恒星的物质，可以加速旋转。

△由阿雷西博望远镜捕获的脉冲星CP1919无线电信号，1979年出现在了著名摇滚乐队的专辑封面上，随后成为一个文化符号（图片来源于网络）

脉冲星靠消耗自转能而弥补辐射出去的能量，因而自转会逐渐变慢。这种变化非常缓慢，因此脉冲星作为“自然时钟”的精确度极高。但当有引力波干扰空间的时候，脉冲星发出的电磁波所经过的路径就会被周期性地压缩和拉长，导致望远镜接收到的脉冲信号出现周期性地早到和延迟。因此，对脉冲到达时间进行长期监测，还有希望捕捉到引力波信号。

虽然首个引力波事件在2015年才被引力波天文台（LIGO）正式发现，但天文学家们早就在阿雷西博天文台发现了引力波存在的间接证据。

1974年，阿雷西博望远镜首次发现了围绕另一颗恒星旋转的脉冲星PSR 1913+16。研究者跟踪其脉冲信号长达数年后，发现脉冲星与其伴侣恒星的距离越来越近了。而这个“脉冲双星”系统能量的减少，与广义相对论预测二者产生引力波造成的能量损失精确符合。这个对于引力波的间接观测成果，获得了1993年的诺贝尔物理学奖。

（图片来源：quantamagazine.org）

阿雷西博望远镜还通过对脉冲星的观测，间接发现了首个系外行星。这个发现有点“幸运”成分：1990年，在望远镜的维修期间，地球的自转带着阿雷西博望远镜的视野扫过了脉冲星PSR B1257+12。研究者发觉，这颗脉冲星发出的信号有轻微的扰动，并推测这是行星引力影响的结果。

近年来，随着开普勒太空望远镜等地外行星搜寻计划的努力，已经有数千个地外行星被发现。其中脉冲星的行星的比例其实并不大。

倒塌之前，50余岁的阿雷西博望远镜还对破解神秘的“快速射电暴”（FRB）做出了贡献。这类信号是来自宇宙未知区域的高能无线电波脉冲，阿雷西博望远镜于2012年首次探测到快速射电暴FRB 121102，并在2015年又接收到同一个信号，这在历史上属于首次。发现重复快速射电暴，排除了这部分信号是由天体撞击等独立事件产生的可能性。另一方面，由于 FRB 121102的重复发生，天文学家得以发现该信号源头：25亿光年外的一个矮星系。

△相关研究曾登上国际学术期刊《自然》的封面（图片来源：nature.com）

独一无二的雷达天文仪器

阿雷西博望远镜除了口径，另一个独特的优势，在于它能够发射无线电信号——这些信号在太阳系行星或小行星的表面经过反射后返回地球，能够带来有价值的信息。例如，金星的大气中有厚厚的云层，难以通过光学望远镜进行表面观测，而借助阿雷西博望远镜，天文学家拍摄了高分辨率的金星雷达图片，为麦哲伦探测器对金星的观测带来了重要参考。

1965年，阿雷西博望远镜的雷达观测结果显示：水星自转的周期是59天，而不是此前理论上预测的88天。

天文学家原本认为，正如月球的一面永远朝向地球那样，水星也被引力“潮汐锁定”，它公转与自转一周的时间相等，且同一面永远朝着太阳。因为水星的公转周期是88天，因此科学家认为它的自转周期也是88天。

但阿雷西博望远镜的观测结果，让科学家思考新的可能性，继而确认了水星的“轨道共振”现象：水星每围绕太阳公转两周，本身完成自转三周。这种现象随后在木星等大型天体的卫星上也被发现。

阿雷西博望远镜还在水星上发现了水。

水星是距离太阳最近的行星。但阿雷西博望远镜在上世纪90年代的观测暗示着，水星两极陨石坑形成的永久阴影中，可能保存有水冰。2012年，美国的信使号探测卫星前往水星，近距离确认了这一结果。

△水星北极地区的水冰分布（图片来源：NASA）

进入21世纪后，已过极盛时期的阿雷西博望远镜还观测了许多太阳系内的小行星。理解这些近地小行星的特征，对于保护人类、监控太空威胁至关重要。1989年，阿雷西博望远镜获取了小行星“4769 Castalia”的无线电照片，揭示了太阳系中首个“双瓣小行星”的模样。近年来，该望远镜还发现了围绕彼此轨道转动的双小行星和三小行星系统。

未来的“天眼”

阿雷西博望远镜的倒塌，给射电天文学“砸出一个大洞”。继该设施之后，美国目前最大的射电望远镜是位于西弗吉尼亚州的100米口径绿岸天文台。但阿雷西博望远镜数分钟的观测数据，小型的望远镜可能要收集数个小时。

阿雷西博望远镜虽然不再服役，但该天文台的其他部分，例如研究空间气候和地球磁圈的激光雷达等仍将继续工作。美国国家科学基金会宣布将拆除阿雷西博天文台的剩余部分，但在该地留下一座研究中心。

△阿雷西博望远镜的信号接收示意图（图片来源：IEEE Microwave）

幸而阿雷西博望远镜的一些功能，被“中国天眼”FAST等新建的天文学设备所取代。更大尺寸的射电望远镜能够增加微弱信号的探测灵敏度，帮助跟踪普通望远镜难以分析的天体。

自今年1月验收以来， FAST设施运行稳定可靠，取得一系列重大科学成果，发现脉冲星数量超过240颗，基于FAST数据发表的高水平论文达到40余篇。借助FAST，我国科研团队正迅速成为国际快速射电暴领域的核心研究力量。有天文学家认为，FAST还有望找到周期小于1毫秒的脉冲星。自转速度如此之快的脉冲星可能自行崩解，相关的观测结果可能给物理学带来新的启示。

FAST和阿雷西博望远镜都是大口径球面射电望远镜，其设计有许多相似之处，但也不完全相同。这类望远镜更容易建造，但与弧度更大的抛物线射电望远镜（如绿岸天文台）相比，这类望远镜的信号不能反射到一个点上。

阿雷西博望远镜悬吊着的信号接收站中，包含有二级和三级反射镜面，能够纠正球面相差。FAST采用了另外的解决方案——与阿雷西博望远镜的固定反射面不同，FAST应用了主动反射面技术在地面纠正球面相差：在FAST主镜面的近4500块铝质反射板中，有一部分可以作出倾斜，使望远镜的局部形成抛物曲面，瞄准太空中的不同区域。

△通过移动馈源舱，FAST可以瞄准空中不同的方位（图片来源：维基百科）

这种设计也使得FAST的馈源舱更加“小巧”（约30吨重，由6座馈源塔拉动）。不过，由于没有大型的悬吊仪器平台，FAST与阿雷西博望远镜的一个显著区别，就是不具备无线电发射功能。

1974年，阿雷西博望远镜还曾向位于武仙座的球状星团M13发送了一串由1679个二进制数字组成的信号，称为“阿雷西博信息”。 阿雷西博信息是从地球发射出的最强信号，发射它的部分原因是为了展示升级后的天文台新增的高功率雷达发射器。

阿雷西博信息的另一个意图，在于与外星文明进行交流。该信息由美国康奈尔大学的天文学家弗兰克·德雷克和物理学家卡尔·萨根设计，内容包括了人类DNA的化学元素序号和结构、人类外形，以及太阳系的信息等。M13星团距离地球约25000光年，包含约30万颗恒星，许多恒星系的年龄至少有120亿年，因此有充足的时间孕育出生命。

△对“阿雷西博信息”正确解码的示意图（图片来源：波多黎各大学）

阿雷西博望远镜的科学征程已经谢幕，但它向远方送出的问候，还将在宇宙中飞驰千万年。

出品：科普中央厨房

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