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美国天眼塌了 | 地球知识局

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  (⊙_⊙)

  每天一篇全球人文与地理

  NO.1739-美国天眼塌了

  作者:乃一姆

   制图:孙绿 / 校稿:猫斯图 / 编辑:养乐多

  当地时间12月1日,美国最大的天文射电望远镜(阿雷西博)上悬挂的接收设备平台坠落,靶心正中望远镜反射盘表面,曾经世界最大的单孔径望远镜就这样塌掉了......

  大眼睛,瞎了...

  (图片: estadespr / shutterstock)▼


  其实,这座在天文界功勋卓著的射电望远镜,一直命运多舛,这次发生的事故只是一个缩影。

  颇为有趣的是

  这座“美国之眼”其实不在美国本土

  而是在——波多黎各自治邦▼


  反导产物

  上世纪50年代后期,美苏冷战第一阶段期间,苏联在拜科努尔发射了斯普特尼克1号卫星,成为首个将人造地球卫星送上太空的国家。

  第一颗进入行星轨道的人造卫星

  (图片:Mil.ru / Wikipedia)▼


  当时美国朝野上下感受到巨大危机,为应对此时占有太空科技优势的苏联,国会授权五角大楼成立了国防高级研究计划局。其目的很简单,就是要让美国的军事科技强过对手和假想敌,以保持国力优势。

  在压倒性的科技和军事实力面前

  一切问题都好解决

  (图片:Wikipedia)▼


  新成立的计划局研究任务可谓繁多,其中就有一项重点任务,为美国发展反导防御系统。

  此时美苏两国的弹道导弹水平已有了突破进展,苏联也实现了“两弹结合”。但让美国人感到麻烦的是,反导需要发现对方的导弹位置,而且是越早发现越好,但是美国的雷达探测水平还远远跟不上这个距离。

  在美国计划局成立的第二年

  苏联就着手设计了射程可达16000公里的洲际导弹▼


  由此,为了避免被苏联核平,美国制造一个超级雷达就显得颇为紧迫,但是没有可参照的案例,也只能摸着石头过河。

  在这之前的反导系统所使用的原理也是研究人员意外发现的,核弹头在高空中会产生特有的物理征象,这是因为高速高温的物体所产生的大气电离与一般导弹不同。雷达可以根据这个特征,直接或间接地捕捉到导弹运动信息。

  第一个反导系统是苏联的A-35

  而美国紧随其后设计的宙斯系统,却没什么用

  (1967年,莫斯科郊外的杜奈雷达)

  (图片:美国政府 / Wikipedia)▼


  虽然这个原理为导弹跟踪问题提供了解决方案,但缺点也很明显,它没有再对物理学及地球电离层等基础领域和学科进行更深一步的了解,只知其果,不知其因。

  所以为了更好的解决这些问题,以继续增强雷达探测的精度,计划局先在马绍尔群岛共和国的夸贾林环礁建造了几台雷达,但效果没有达到预期,尤其是仍无法具体了解地球电离层F层的情况,所以只能在另外地方再修建一座。

  这也不是美国第一次在太平洋岛国搞试验了

  (图片:wikimedia)▼


  在没有投票权的地方建一个

  这项任务被安排给了康奈尔大学的威廉·戈登,他需要在全球范围内美国所能实控的地区寻找一个合适的雷达站选址。

  非常巧,他在波多黎各的中部喀斯特地貌区发现了一处十分完美的天坑。

  决定就是你了

  (图片:Arecibo Observatory)▼


  按照他最初的设想,在对天坑改造完成后,装置一个固定的抛物面反射镜,同时搞一座150m的塔,并将其固定在抛物面焦点上。总体而言这个设计方案有一定局限性,其指向固定方向,对于雷达天文学、射电天文学、大气科学等基础学科的后期探索发展不利。

  戈登和康奈尔大学的教授共同设计模型

  (图片:Arecibo Observatory)▼


  计划局的沃德·洛就把发现了这一缺点,并向戈登提了出来。同时他还让戈登与波士顿的美国空军研究实验室联系,因为在那里正好有一个小组在研究球形反射镜,还有一个小组在研究无线电波在高层大气中及太空中的传播。

  由此,计划局、康奈尔大学、美国空军研究实验室三家共同促成了新雷达站的建设。

  大干快干

  (图片:Arecibo Observatory)▼


  最终,康奈尔大学采用了这样一项提议,将反射面设计为圆环面,同时将四根电缆由桁架悬挂在反射面上方的四个塔架上(最终修改为三座),沿着其边缘还有用于其方位定位的轨道。

  用了三个支点吊起了可转向接收器

  (图片:Arecibo Observatory)▼


  一切准备就绪,新的雷达站在1960年中就开始建设,用了三年多时间,在1963年11月1日即建成运营。此后半个世纪以来,它一直是全球最大的单孔径望远镜,直至2016年7月被中国贵州FAST项目超越。

  建成主要用于射电天文学,大气科学和雷达天文学的研究

  以及找外星生命..

  (图片:Arecibo Observatory)▼


  这处新设施被命名为阿雷西博望远镜,因其具有一定的天文观测属性,且为所有相关设施中的主力,所以其所在的总单位也被命名为阿雷西博天文台。

  克林顿参观阿雷西博天文台

  (图片:Wikipedia)▼


  耐人寻味的是,阿雷西博天文台的所在地波多黎各也是美国的一处特殊领土。

  其全称为波多黎各自治邦,属于美国领土,但并不隶属于美国任何一个州,由国会直管,政区类别为自由联邦。作为美国的自治区,波多黎各居民也是美国公民,但是他们没有美国总统选举的投票权,但有权选举一名无表决权的美国众议院专员。

  一直期待能成为美国国旗上的一颗星▼


  而它所处的位置也远离北美大陆,处于中美洲的加勒比海地区,其西边为多美尼加和海地两个海岛国,东边为美属维尔京群岛和英属维尔京群岛,从这个意义上来说,美国与英国其实也算相邻国家。

  波多黎各与美国本土▼


  而波多黎各自治邦的主要组成部分就是波多黎各岛,首府设在岛北部的圣胡安,距离阿雷西博望远镜也有50公里以上的直线距离。

  圣胡安与阿雷西博▼


  建成后的望远镜也经历了多次升级。比如将镜面的材料及结构升级,最初预期工作最大的频率约500MHz也由此升级了十倍,变为约5000MHz。甚至后期还添加了外置装置,功能更强大的2400MHz发射机。

  1974年升级后之后

  由铝面板组成的高精度表面取代了旧的丝网

  (图片:Wikipedia)▼


  耗资甚巨的天文台没有辜负科学家们的期望,发现了诸多此前未知的科研成果。比如修正了水星的自转周期,由以往认知的88天,更正为59天。

  1974年,它还为赫尔斯和泰勒发现了首个脉冲双星系统PSR B1913+16(因发现者之名被命名为赫尔斯-泰勒脉冲双星),两人还因此获得了诺贝尔物理学奖。

  二元制脉冲星:脉冲星和中子星围绕着共同的重心运转

  (图片仅为示意,不代表某个恒星系统)

  (图片:Anton Petrov/ Youtube)▼



  后来,它还成功探测到了恩克彗星。人类最早发现的太阳系外行星也出自它的功劳。

  虽然人类对恩克彗星的观测从18世纪就开始了

  但第一次用雷达观测到的还是阿雷西博望远镜

  (恩克彗星 图片:NASA)▼


  此外,还有一些并不为大众所熟知的天文学界辉煌成果。而如果说到大众最熟悉的阿雷西博望远镜的故事,则非阿雷西博信息和搜寻地外文明计划莫属,毕竟这两项可是吸引公众目光的流量之王。

  1974年11月16日通过望远镜

  向距离地球25,000光年的球状星团M13发送了无线电信息

  (颜色仅为分类作用,图片:Wikipedia)▼


  当然,不忘初心的军事用途也有所体现,毕竟它和NASA也有着千丝万缕的联系。比如搜寻苏联雷达,但具体使用方面也可以说是一个“骚操作”。具体原理为,通过检测从月球反射通信发出的信号来确定苏联雷达的位置。

  塌了

  阿雷西博望远镜自建成以来,一直是美国国家科学基金会和美国宇航局眼中的香饽饽,相关经费得到充足供应。

  然而,冷战结束以后,美国对太空这一“无用”的探索领域的投资骤减,这也影响了相关单位对其的充值,比如NASA在2006年就取消了对它的支持。

  望远镜下面种出的菜,不知有会不会有外星味道...

  (图片:Arecibo Observatory)▼


  美国国家科学基金会也在2006年11月的报告中建议将其的天文经费从2007年的每年1050万美元开始,逐步缩减至2011年的400万美元。同时还进一步指出,如果找不到其他资金来源,则干脆直接关闭得了。

  这当然引起了研究人员的不满,他们向社会四处活动,寻求支持。波多黎各当地政府也并不想关闭这个天文台,毕竟它已成为了当地的标志性旅游景点,关闭之后则会损失一大笔收入,所以当地也为其担保了300万美元的债券。

  在长达53年的时间里都是世界第一大望远镜

  想要一睹其风采的游客络绎不绝

  (图片:Dennis van de Water / shutterstock)▼


  然而,毕竟没有了大佬的支持,预算也越来越少,一些社会活动也仅是杯水车薪。

  屋漏偏逢连夜雨,本来每年的资金投入就很不到位,2017年发生的一起自燃事件,又让其深受打击。

  当年,玛莉亚飓风带来的强风导致430兆赫线路馈送断裂并掉到主镜盘上,损坏了接收盘面上38000块铝板中的约30块。然而根据其观测资料,由于其主要依赖于位于圆顶中的馈送和接收器传送,而不使用线路馈送。总体而言,这次事故产生的破坏字面上看着很吓人,但对它的影响很小,可忽略不计。

  正常状态下的转向和接收器系统

  (方框区域即为430 MHz的线路部分)

  (图片:Jon Evans / Wikipedia)▼


  飓风之后,就短了一截...

  (图片:Mariordo / Wikipedia)▼


  不过,今年的几次意外伤害就没这么好运气了。

  今年8月,用于支撑反射镜上方平台的一根辅助电缆断裂,损坏了大约6-8个面板,并在反射面上开了一道约30米长的口子,对望远镜的运作造成了很大的影响。

  又一次,还不知道是什么原因

  (图片:https://www.ucf.edu/)▼


  就在工程师们即将展开修复时,第二根主电缆又于11月6日掉落。本来修复团队预计望远镜的结构能继续承重,修修补补又能几十年,但新事故的发生让其措手不及。鉴于可能危及修复人员生命的前提下,这次美国国家科学基金会决定终止修复,并在11月19日直接宣布退役射电望远镜退役,后期逐步拆除。

  11月份的破损情况

  (图片:cmglee&OpenStreetMap / Wikipedia)▼


  然而,望远镜还没等开始拆,在前天早上8点左右(当地时间),就发生了坍塌事故。引用阿雷西博天文台工作了26年的职工描述:“听起来像隆隆声。我知道那是什么,我在尖叫。就我个人而言,我失去了控制......我无法用语言来表达。这是一种非常深刻、可怕的感觉。”

  此次坍塌对望远镜造成的损害非常严重,仪器接收平台完全塌掉,接收平台部分铝板脱落,露出盘面下的植被。换句话说,这次的事故已经让天文台无法正常运转了。

  差不多处于报废状态了...

  (图片:NotiCel / twitter)▼


  发生了这么大的事,国家科学基金会的工作人员当然也得去实际察看一番。毕竟虽然望远镜不要了,但天文台的其他设施还得进行抢救。

  美国对现阶段阿雷西博望远镜的放弃,并不代表彻底放弃阿雷西博望远镜这一计划。根据相关科学家的预测,恢复阿雷西博望远镜的最可行方式还是原地重建,毕竟很难再找到一个像阿雷西博如此绝佳的地理环境了。

  夜间的望远镜

  (图片:Arecibo Observatory)▼


  而重建后的阿雷西博,也将在许多领域成为重要的科学研究装置,尤其是在引力波领域。

  但是,经济因素已成为重建阿雷西博望远镜的最大阻力。

  下一任的拜登政府和国会能不能通过这一“超级工程”项目,依然是一个未知数。

  参考文献:

  1.http://www.naic.edu/

  2.https://www.ucf.edu/news/broken-cable-damages-arecibo-observatory/

  3.https://www.nsf.gov/news/news_summ.jsp?cntn_id=301674

  4.https://www.nature.com/articles/d41586-020-03270-9

  5.https://en.wikipedia.org/wiki/Arecibo_Observatory

  6.https://en.wikipedia.org/wiki/Arecibo_Telescope

  7.https://en.wikipedia.org/wiki/William_E._Gordon

  8.https://en.wikipedia.org/wiki/Air_Force_Research_Laboratory

  9.https://en.wikipedia.org/wiki/Kwajalein_Atoll

  10.https://en.wikipedia.org/wiki/DARPA

  11.https://en.wikipedia.org/wiki/Earth%E2%80%93Moon%E2%80%93Earth_communication

  *本文内容为作者提供,不代表地球知识局立场

  封面:shutterstock@estadespr

  END

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