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科学家有望建造全新望远镜,可阿雷西博望远镜媲美,甚至超越

阿雷西博急需“重启”

科学家希望建造一个全新且与众不同的阿雷西博望远镜,以取代损毁的地标

科学家有望建造全新望远镜,可阿雷西博望远镜媲美,甚至超越

阿雷西博天文台的悬索科学平台,已于2020年损坏。(图片来源:UCF)

阿雷西博天文台的大型无线电天线对人们来说意义繁多:发现脉冲星的设备,与外星人沟通的信号发射器,小行星测绘仪,詹姆士·邦德系列中被反派藏匿的卫星天线,波多黎各的地标,以及培育未来科学家的摇篮。然而,这一切都在2020年末划上了句号,整个悬空平台在倒塌中迎来了终结。这个在几十年中历经了无数考验的工程学奇迹,终究还是没有逃过重力的魔爪。

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自那场灾难之后,一部分人的目光转向了其背后的原因,另一部分人着手开始整理和清理残骸。科学家们则开始思考此地下一步的科学研究将如何进行。对于一群与阿雷西博天文台拥有深厚联系的科学家们而言,这次灾难反而意味着一个全新的畅想:一台将能取代这个标志性设备,且能使研究更进一步的,与众不同的全新望远镜。

圣安东尼奥西南研究所的行星科学家,新一代望远镜设计原理白皮书的共同作者之一,特雷西·贝克尔说:“我个人认为这不过是第一步:在崩塌之后,这样的举措只是为了表明,我们仍然有选择的余地和可能性,以延续这台望远镜所留下的具有价值的科学遗产和研究成果。”

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“我并不认为新设备一定要看起来像是‘全新’的”,她补充道,“它可能看起来和原来的望远镜区别不大,又或者是和我们此前所提出过的所有构思大相径庭。无论如何,重点是能够突出对那个空间的利用,并且延续之前宝贵的研究成果。”

这个被称为下一代阿雷西博望远镜的设计,或许更适合被当作一个声明,而非具体的蓝图来看待。毕竟,现在科学家们甚至不知道能否实现这样的独特设计。但无论如何,这个项目的主要目的还是描绘阿雷西博未来60年的发展规划,当然前提是各家机构愿意以充满热情和抱负的态度为其投资。

“我们必须扩大视野,并且大胆思考,因为倘若你只想重复过去的工作,你就无法激励下一代,也无法为他们提供更好的资源,” 阿雷西博天文台副首席科学家诺诶米·皮尼利亚-阿隆索说道,“而如今的成果正要归功于60年之前那群敢于大胆思考的人们。” 值得一提的是,作为该天文台的管理者,同时也是佛罗里达大学的行星科学家之一,皮尼利亚-阿隆索正是该设计概念的提出者之一。

这项设计在天文台倒塌后的短短两个月之内就被提出了。在某种程度上,这或许对于那些与天文台有着密切联系和强烈感情的科学家来说,是一种情绪释放。“我没过多久就从悲伤和沮丧的情绪中解脱了,并转而开始认为‘我们正在做一件好事,我们仍在努力工作,并且正在取得进展。’” 皮尼利亚-阿隆索如此说道。

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此外,白皮书的另一位作者,阿雷西博天文台台长弗朗西斯科·科尔多瓦说,现在这个新设计背后的科学家们正在努力保持势头,以加快重建进程。

“阿雷西博留下了一个巨大的缺口”,他补充道,“我们现在有数百名科学家正在争先恐后地寻找另一台能够为他们提供所需数据的望远镜,以继续他们的项目研究。”

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2020年12月8日,阿雷西博天文台望远镜倒塌后的现场照片。(图片来源:米歇尔·内格隆, 美国国家科学基金会)

基金会的选择

然而,在有机构出面资助该项目之前,科学家们能做的有限。

与此同时,土地所有者——美国国家科学基金会(NSF)举行了一次研讨会,以探讨阿雷西博天文台今后的各种可能性。官员们强调,将保留阿雷西博,但既没有承诺按原样重建望远镜,也并未提出对项目的支持。此次研讨会没有划拨出任何资金,也没有打算完成选定的项目。

“我们目前并没有建造一个新射电望远镜的计划,尽管这个想法确实是值得探讨的”,研讨会负责人在会议记录中写道,“然而,这个研讨会的主要目的是尽可能地探讨短期、中期和长期的选择,它们应该能够让社会的所有阶层都参与进来,并且是互补的。”

(如今,NSF仅在确保现场安全和清理残骸方面就有很多工作要做,该机构在2021年3月时估计这一过程将需要大约5000万美元。)

然后,在研讨会期间,该机构专注于从更广泛的角度考虑该场地的未来。 “NSF致力于参与这一未来的发展,但并不局限于建造新望远镜这个唯一想法,” 会议记录指出,“当然了,这确实是一种长期的可能性。除此之外,还有其他的选择,以及一些近期的项目,也可能能够填补大型项目被设计出来之前存在的漏洞。”

当被问到如何处理该望远镜的遗留问题时,NSF认为新设计并非唯一的选择。

事实上,观测站本身是可以迅速重新开展一些相关的科学研究的。该场地还有许多其他设备并未受到崩塌的影响,因此仍在正常工作。天文台的领导层希望至少能够修复与实验相关的部分天线,以便能够在其他地方使用。

科学平台上的所有设备都被悬挂在1000英尺(305米)高,由39根电缆组成的网上。尽管坠落损坏了平台上的所有设备,但部分零件也许仍能使用。NFS的官员说,至少有一半设备在倒塌中幸存下来,更换电池板也不是特别困难或昂贵。基金会还表示,所有三座支撑塔的底部都很坚固。

残存的建筑可能是重建望远镜的基础,但需要使用更先进的技术和材料。

佛蒙特大学射电天文学家乔安娜·兰金不是白皮书的合著者,但却十分认可新的项目,她说:“有很多方向可以研究。选择一个最雄心勃勃、技术上最激动人心的方案是令人兴奋的,但这并不是唯一的选择。”

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阿雷西博天文台无线电天线的档案图像显示,沉重的科学平台悬挂在它的上方,两个支撑塔和复杂的电缆共同支撑着它。(图源:NFS下属阿雷西博天文台)

阿雷西博的新望远镜

2020年11月,一场视频会议提出了一个大胆的望远镜更新计划。这个行动很快被称为“守夜”,一开始只有十几名参与者,但后来迅速增加到数百名科学家。

同年12月1日,阿雷西博望远镜倒塌。在仔细分析了望远镜倒塌的原因及造成的损失后,兰金说:“望远镜刚坍塌后的两次会议中,大家都很惊慌。”

但随着科学家们把注意力转向未来,这种情绪很快就消散了。阿雷西博天文台的射电天文学家、白皮书的主要作者阿尼什·罗什说:”我们立刻想到的是,应该制定一个重建计划。那时所有的讨论都变得非常活跃,主要探讨用什么来替换这个望远镜以及如何重建。”

这项工作的成果是一篇70页的论文,概述了一个在废墟重建的,极具创新的新阿雷西博望远镜。

对于一个大型设施来说,不同寻常的是,重建工作将集结阿雷西塔地区三个科学领域的人们。

尽管电离层研究人员最初想让大型射电望远镜进行大气实验,但专门从事射电天文学和行星雷达研究的科学家很快意识到,大型望远镜及其强大的雷达系统也可以为他们提供有价值的信息。

兰金说:“这三个科学专业在阿雷西博形成了一种共生关系,这在阿雷西博是十分独特的。”

呼吁重建的科学家们表示,这三个独立领域的联合应该在建造中得以体现。皮尼拉-阿隆索说:“我们希望继续成为一个多学科的机构。我们不想优先考虑一个而不是另一个,所以必须想一些可以服务于三个领域的东西。”

保持不同学科联合的前提是,一个替代设施重建在波多黎各青翠内陆的望远镜遗址上。最初,该地点是由军方决定的,并希望把仪器放在赤道附近的美国领土上。

尽管发生了坍塌,天文学家还是注意到了大量基础设施的剩余价值,比如望远镜所在的天坑,以及支持天文台的工作人员和社区。兰金说:“没有一种仪器完全是由硬件组成的。硬件只是故事的开始。没有那些熟练的员工,它几乎毫无用处。”

此外,还有一种珍贵的资源,那就是在该地区能够轻松躲避其他同频信号的干扰。天文学家不能简单地把这份清静收拾起来随身携带。阿雷西博周围的法规保护设施可以不受无线电干扰。

兰金说:“既然我们拥有这个便利的资源,那不去使用它就是一种浪费。”

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2020年8月,阿雷西博望远镜的巨大碟形天线因电缆从插座滑落而受损。(图源:中佛罗里达大学)

科学梦

设计新望远镜的第一步是确定每个领域需要新设备来做些什么。皮尼拉-阿隆索说:“我们一开始并没有说‘让我们设计一些与众不同的东西吧’,而是讨论科学本身,以及希望阿雷西博在未来扮演什么样的角色。”

此外,她补充道,这不是科学家们习惯提出观测方案的方式。第一个挑战是心态,因为你习惯充分利用现有的东西。你一直被要求做不同的事情,但从工程的角度而言,他们又告诉你,“不,你不能这么做。”

但新阿雷西博望远镜白皮书的核心内容却并非如此:该站点的新科学目标,实际上是各领域专家的愿望清单。

设计团队已经确定了三个领域公认的科学优先事项。例如,每个人都想看到更广阔的天空和更丰富的细节。波多黎各行星天体生物学家阿贝尔·门德斯说:“更多的天空有待探索,更多的发现即将到来。” 他经常在阿雷西博进行天体观测,并参与了关于新望远镜的科学对话。

大气实验学家和行星雷达专家都优先考虑更强大的雷达系统,尽管他们的需求并不完全相同。此外,如果需要牺牲射程,行星雷达就不一定会增加功率了。因为阿雷西博的优势之一是,它甚至可以发现科学家们还没有完全确定的小行星。

亚利桑那大学的行星科学家迈克·诺兰认为,阿雷西博望远镜是一种又大又钝的仪器,所以哪怕不完美,它仍然可以工作。当它变得越来越注重外表时,这种说法就不那么正确了。在白皮书中,科学家们表示,他们草拟的设计将能够观测到比原来六倍多的小行星。

与此同时,对于射电天文学家来说,主要任务是能够将仪器指向我们星系的中心,这需要在距离天顶48度的位置上进行灵活定位。(你握紧拳头伸直手臂,大概能遮住10度的天空。)

总的来说,设计团队努力的方向意味着,除了该设施已经开展了几十年的工作之外,可能会有一些新的科学计划。

其中一个额外的目标是了解空间的天气,这是太阳对太阳系产生的各种影响,可能危及宇航员,扰乱轨道上的卫星和地面上的电力系统。事实证明,新设计将允许科学家更好地监测空间天气,包括研究太阳风和日冕物质抛射,这两个相关的现象。

此外,该设计概念的雷达系统将比已经消失的系统强大得多,除了对太空岩石进行科学工作外,它还可以观察报废的卫星和其他空间碎片。对于地球同步轨道上的太空垃圾,新的设计可以看到直径约3英尺(1米)的碎片,还能够监测远至月球的大型碎片。

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阿雷西博天文台射电望远镜的科学平台的夜间照。(图源:阿雷西博天文台)

“盘中盘”

根据愿望清单,科学家们开始着手设计。目前看来,新的设计与旧设备截然不同。

新的设计不再只有一个天线,而是用多个紧密排列的“小盘子”来填补旧望远镜巨大的天坑,这些“小盘子”被放置在大约七个巨大的倾斜盘上,正如皮尼拉-阿隆索所描述的那样,这是一个“盘中盘”。而这些“小盘子”的具体大小又是一个需要权衡的问题:即是需要更多的“小菜”还是少量的“大菜”。

门德斯说:“我记得当我拿到论文的初稿时,所有的工程想法都正式成型了。我很惊讶,因为这是一个很大的变化。”科学家们指出,这个巨大的改变,将解决旧设备的许多长期问题,包括那个导致其倒塌的沉重平台。

科学家们还曾考虑过是保留一个类似旧设备那样的巨大天线,还是将多个独立天线散落分布,就像位于新墨西哥州的天线阵(距阿尔伯克基约两小时车程)。但最终,他们认为两种模型混合或许才是利益最大化的:即许多“小盘子”聚集在一起,并能保证同步移动。

只是,仍有一个小问题:科学家们尚不能确定建造这个结构的可行性。

但这个构想给工程师们提供了工作素材,让他们可以开始深入研究建造新望远镜所涉及的问题。 “这是一个概念设计,”兰金强调说。“其能否建造,且建成后是否能工作,尚不可知。”

耍心机

要让新阿雷西博望远镜成为现实,工程问题并不是唯一的障碍。最棘手的部分是找到资金来确保实现原望远镜如此之大的规模。白皮书的作者们表示,该建造将花费约4.54亿美元。

兰金说,哪怕是在旧设备倒塌之前,阿雷西博望远镜的预算就一直是个令人头疼的问题。过去的20年里,NSF减少了对该天文台的资助,以解决机构的预算紧缩。

她还补充道,在21世纪头几年,NFS的预算本应翻一番,但却没有兑现。当时没有诺贝尔奖,第二次升级也没有立即引起巨大轰动,所以阿雷西博很容易成为众矢之的。

这与从那以后获得的其他大幅增算不同。尽管阿雷西博的情况与西弗吉尼亚州在2000年重建的绿岸望远镜(曾于1988年突然倒塌)类似,但兰金并不认为阿雷西博会那么幸运。西弗吉尼亚州的两位参议员的大力支持对重建望远镜至关重要,但阿雷西博没有这样的支持:波多黎各在国会没有任何代表。

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从阿雷西博天文台标志性的天线中心仰视科学平台。(图源:阿雷西博天文台)

兰金说:“阿雷西博一直是一个廉价的项目,因为波多黎各没有参议员。如果相同事件发生在NFS的其他设施上,参议员们会穿着靴子莅临,但波多黎各没有这种优待。”

在联邦层面,波多黎各没有参议员,只有一名常驻专员,一名不能参加全体投票的众议院成员。

现任驻地专员珍妮佛·冈萨雷斯-科隆在一份声明中说:“我们对坍塌感到十分悲伤。从那以后,我一直在与不同的利益相关者联系,讨论前进的方式,包括重建望远镜,这样我们就可以再次参与阿雷西博天文台和专家团队主办的所有项目,并保持波多黎各的遗产和对STEM(科学、技术、工程和数学)领域的贡献。”

天时也有可能决定阿雷西博的命运。巧的是,阿雷西博的科学平台恰逢美国总统特朗普连任失败之际。兰金指出,新总统对于科学和波多黎各的态度肯定比前任更开放。

与此同时,科学家们也有自己的主张和日程安排。NASA和NSF都依赖被称为“十年调查”的文件来指导他们的资助决策。在这些项目中,美国国家科学院的大型科学家团队将空间科学项目的优先级排在第一。

然而,与大型地面无线电设备最匹配的项目是天体物理学方向的,该项目在发表前正在接受同行评审。科学家们怀疑这份文件能否支持阿雷西博的重建工作,因为该望远镜在委员会征求社区意见后倒塌了。

兰金说:“没有人想到,重建可能需要很多钱,所以阿雷西博不会为重建申请大笔资金。”可以说,如果阿雷西博天文台插队获得资金的话,它就有可能惹恼其他争夺同笔资金的科学家们。

另一份关于行星科学的“十年调查”仍在进行中,阿雷西博工作的行星雷达带将与之息息相关,尽管这份文件表面上关注的是NASA的太空设施,而不是NSF的地面设施。

科多瓦说:“我相信设计工作和新仪器的资金最终会到位的,尽管可能不会像科学家们希望的那样快。我很乐观,我认为,当一个仪器有足够的能力,有正确的科学逻辑和任务目标时,找到资金会容易得多。”

此外,他还补充道,科学家们已经有了一个令人惊叹的概念,但它还将在设计过程、可行性研判和工程建造中不断发展。一切需要的都只是时间。

他和很多同伴都希望,有一天,阿雷西博号将再次升起,并对我们的大气层、太阳系和更远的星空保持稳定的观测。

兰金说:“这一切都充满可能性。任何事情都有可能发生,没有保证。”

BY: Meghan Bartels

FY: 忙碌的北門

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