科技改變生活 · 科技引領(lǐng)未來
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作者：湯振凡&汪詰讓NASA及全世界刮目相看1969年7月21日，一場罕見的暴風(fēng)襲擊了澳大利亞東南部的小鎮(zhèn)帕克斯。這里已經(jīng)很久沒有下雨。110千米/小時(shí)的強(qiáng)風(fēng)卷起了地面干燥的沙塵，形成了遮天蔽日的沙塵暴，把正午時(shí)分的帕克斯鎮(zhèn)籠罩得如同黑夜一
作者：湯振凡 & 汪詰
讓 NASA 及全世界刮目相看
1969 年 7 月 21 日，一場罕見的暴風(fēng)襲擊了澳大利亞東南部的小鎮(zhèn)帕克斯。這里已經(jīng)很久沒有下雨。110 千米/小時(shí)的強(qiáng)風(fēng)卷起了地面干燥的沙塵，形成了遮天蔽日的沙塵暴，把正午時(shí)分的帕克斯鎮(zhèn)籠罩得如同黑夜一般。
在整個(gè)帕克斯小鎮(zhèn)里，最高大的建筑物莫過于一臺 64 米口徑的射電望遠(yuǎn)鏡，這就是以小鎮(zhèn)名字命名的帕克斯射電天文臺。
此時(shí)，這臺望遠(yuǎn)鏡的傘形天線正在狂風(fēng)中搖曳，發(fā)出恐怖的吱嘎聲。
在巨大天線底部的控制室內(nèi)，5 名天文學(xué)家正嚴(yán)陣以待。他們不僅要想辦法確保射電望遠(yuǎn)鏡的周全，還要準(zhǔn)備完成一件從來沒有人完成過的任務(wù)——完成一次月球直播。
“月亮還要1個(gè)小時(shí)才能升起來，如果到那個(gè)時(shí)候風(fēng)還不停，直播就泡湯了?！必?fù)責(zé)操縱望遠(yuǎn)鏡的人，名叫尼爾·?？怂埂っ飞∟eil 'Fox' Mason），此刻的他神情嚴(yán)肅，目不斜視。
狂風(fēng)從東邊吹來，那正是月亮升起的方向。直徑 64 米的大傘正對著 12 級的狂風(fēng)，后果可想而知。但是，在 38 萬千米外的月球上，宇航員阿姆斯特朗已經(jīng)穿好了宇航服，正準(zhǔn)備給太空艙減壓。
“這是人類的里程碑。無論如何，我們都要盡力完成這次任務(wù)?！闭f話的是帕克斯天文臺的主任約翰·博爾頓（John Bolton），正是他與美國宇航局簽下合同，堅(jiān)定地支持了登月直播計(jì)劃。
當(dāng)月亮在地平線上緩緩升起時(shí)，風(fēng)力減弱了一些，但仍然不符合望遠(yuǎn)鏡的安全運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)。巨大的天線緩緩轉(zhuǎn)向東方，向全球 6 億人開始了具有歷史意義的直播。
其實(shí)，負(fù)責(zé)直播的射電望遠(yuǎn)鏡并不只有帕克斯這一臺。位于美國加州的戈德斯通深空通信中心和位于堪培拉的金銀花溪射電望遠(yuǎn)鏡也參與了任務(wù)。但是，帕克斯望遠(yuǎn)鏡提供的直播信號質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了另外兩個(gè)跟蹤站，這讓NASA全程都使用了帕克斯提供的直播信號。
在上世紀(jì)六七十年代，美蘇爭霸時(shí)期，一講到與太空探索有關(guān)的設(shè)備，普通人往往認(rèn)為它們不是前蘇聯(lián)就是美國的，可能完全想不到澳大利亞。那么，這臺帕克斯望遠(yuǎn)鏡又是何方神圣，居然能在如此惡劣的風(fēng)暴天氣里，還能提供遠(yuǎn)超過其他望遠(yuǎn)鏡的清晰信號呢？這就是我們今天這期節(jié)目的要給你講述的故事。
艱難建造
二戰(zhàn)期間，雷達(dá)技術(shù)因?yàn)閼?zhàn)爭的需要而得到快速的發(fā)展。澳大利亞的雷達(dá)研究，開始于一個(gè)名叫無線電物理實(shí)驗(yàn)室的機(jī)構(gòu)。
在二戰(zhàn)期間，澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)研究局建立了這家機(jī)構(gòu)，進(jìn)行秘密的雷達(dá)研究。到了上個(gè)世紀(jì) 50 年代初，無線電物理實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)發(fā)展成為最大、最多樣化和最成功的研究機(jī)構(gòu)。這也是澳大利亞的科研機(jī)構(gòu)唯一一次在新學(xué)科中實(shí)現(xiàn)領(lǐng)跑。
在那個(gè)時(shí)代，雷達(dá)與射電望遠(yuǎn)鏡，幾乎就是同義詞。最初的射電望遠(yuǎn)鏡，也常常直接使用廢舊雷達(dá)上拆下來的舊零件。這些臨時(shí)拼湊的射電望遠(yuǎn)鏡雖然粗糙，但卻成功發(fā)現(xiàn)了銀河系之外的大量射電源。這為大望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)制造，提供了非常寶貴的經(jīng)驗(yàn)。
塔菲·鮑文（Taffy Bowen）是無線電物理實(shí)驗(yàn)室的主任[1]。當(dāng)年，他因?yàn)榘l(fā)明了能夠安裝在戰(zhàn)斗機(jī)上的小型雷達(dá)而成為這個(gè)行業(yè)的頂尖專家。但是，全世界的射電天文學(xué)都在發(fā)展。澳大利亞要想保住自己的領(lǐng)先地位，只靠這些拼湊出來的舊設(shè)備肯定是不行的。他們需要世界上最好的望遠(yuǎn)鏡。
不過，從事射電天文學(xué)研究與制造小型雷達(dá)最大的不同，就是不僅不賺錢，還要燒錢。目光短淺的澳大利亞政客，寧可花錢研究怎么剪羊毛，也不想把錢花在望遠(yuǎn)鏡上。
好在塔菲·鮑文在美國科學(xué)界有很多影響力非凡的朋友。他利用個(gè)人關(guān)系和澳大利亞尚存的技術(shù)優(yōu)勢，說服了卡內(nèi)基公司和洛克菲勒基金會為澳大利亞的大望遠(yuǎn)鏡投了一半的資金。來自美國的支持，讓當(dāng)時(shí)的總理羅伯特·門澤斯（Robert Menzies）勉為其難地批準(zhǔn)了剩余的資金。
從 1954 年立項(xiàng)開始，到 1961 年 10 月 31 日落成，帕克斯望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)建設(shè)整整花費(fèi)了 7 年時(shí)間。澳大利亞完全沒有捐助科學(xué)設(shè)備的社會傳統(tǒng)，帕克斯望遠(yuǎn)鏡至今仍然是澳大利亞最偉大的科學(xué)工程?？梢韵胂?，在這7年里，這項(xiàng)工程遭遇了多少阻力和非議。但很快，它就用一個(gè)重大的發(fā)現(xiàn)證明了自己的價(jià)值。
類星體
在帕克斯建成之前，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一種神秘的射電源。它們中的一些在可見光波段也被探測到了。光學(xué)上它們呈現(xiàn)為天空中的一個(gè)點(diǎn)，所以它們不是星系。但利用光譜探測卻發(fā)現(xiàn)，它們擁有和普通恒星完全不同的光譜。人們?yōu)檫@類神秘的天體取名為類星體。就是說它們看上去像恒星，但似乎又不是。
研究神秘的類星體相當(dāng)重要的一步，是把光學(xué)的源，和射電的源在天空中精確對應(yīng)上。因?yàn)楣鈱W(xué)望遠(yuǎn)鏡一般分辨率更好，而且能看到的點(diǎn)源更多。所以射電望遠(yuǎn)鏡給出的定位區(qū)域里，會有太多光學(xué)的可匹配選項(xiàng)，無法直接對應(yīng)。找不出光學(xué)對應(yīng)的源，也就沒法進(jìn)一步拍光譜來研究它們。
這時(shí)候一些天文學(xué)家想出了很妙的方法。雖然射電望遠(yuǎn)鏡本身的空間分辨率不足。但是通過月球掩食一些類星體的過程，可以計(jì)算出它們更準(zhǔn)確的位置。因?yàn)樵铝恋倪\(yùn)動是非常規(guī)律的，而類星體在天球上的位置相當(dāng)于靜止。計(jì)算遮掩的時(shí)間差，再根據(jù)月球當(dāng)時(shí)的位置就能反推出這些類星體的位置。
196 2年，兩位天文學(xué)家哈澤德（Cyril Hazard[2]）和博爾頓（John Gatenby Bolton[3]），利用帕克斯望遠(yuǎn)鏡，觀測了類星體3C 273的5次月球掩食過程。由此給出了一個(gè)極小的定位區(qū)域。
另一位天文學(xué)家馬丁·施密特（Maarten Schmidt[4]）使用這個(gè)坐標(biāo)，成功地找到了3C 273的光學(xué)對應(yīng)體，并測量了它的光譜。
正如人們之前發(fā)現(xiàn)的，這些天體的光譜與恒星截然不同。施密特面對 3C 273 令人迷惑的光譜陷入沉思。天體的光譜中常常會出現(xiàn)不同元素的發(fā)射線，譜線信息就像是天體的身份證。但 3C 273 的譜線看起來卻難以分析出來自什么元素。
深思熟慮后，施密特大膽地提出，光譜中幾條明顯的發(fā)射線來自于氫。這是其他人之前不太敢設(shè)想的，因?yàn)槟且馕吨墓庾V存在 16% 的紅移。紅移主要是由宇宙膨脹造成的，星體距離地球越遠(yuǎn)，產(chǎn)生的紅移現(xiàn)象就越是明顯。經(jīng)過測算，能產(chǎn)生如此巨大的紅移現(xiàn)象，意味著 3C 273 距離我們有 24 億光年的距離！類星體一下子成為了當(dāng)時(shí)已知最遙遠(yuǎn)的天體。
距離還不是最讓人吃驚的，這么遙遠(yuǎn)的距離，還能有如此清晰的信號傳到地球，類星體中蘊(yùn)含的恐怖能量，讓所有科學(xué)家都感到驚訝。這一發(fā)現(xiàn)立即轟動了科學(xué)界。類星體也因此被譽(yù)為二十世紀(jì)天文學(xué)的四大發(fā)現(xiàn)之一。馬丁·施密特也因?yàn)檫@個(gè)成就被時(shí)代周刊放上了封面。而參與這一重大發(fā)現(xiàn)的帕克斯望遠(yuǎn)鏡，當(dāng)時(shí)才是一個(gè)一歲的嬰兒。
阿波羅計(jì)劃
帕克斯望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)非常成功，這也讓它成為了后續(xù)望遠(yuǎn)鏡爭相學(xué)習(xí)和復(fù)制的對象。不過，雖然帕克斯望遠(yuǎn)鏡一直在被模仿，卻從未被超越。
1969 年 7 月 16 日，阿波羅 11 號載著三名宇航員飛向月球。
4 天后，宇航員阿姆斯特朗和奧爾德林駕駛著鷹號登月艙降落在月球表面，他們將在這里，向全世界直播人類首次踏上月球的震撼畫面。
首當(dāng)其沖地承擔(dān)了地月信號轉(zhuǎn)播重任的，是一架名為戈德斯通深空通信望遠(yuǎn)鏡的設(shè)備。這臺望遠(yuǎn)鏡位于美國加州，由美國宇航局設(shè)計(jì)，聽它的名字也能知道，它就是為了進(jìn)行太空通訊而建造的。
戈德斯通望遠(yuǎn)鏡口徑70米，比已經(jīng)屬于巨無霸的帕克斯望遠(yuǎn)鏡的接收面積還足足大了20%。但是，作為備選轉(zhuǎn)播站的帕克斯望遠(yuǎn)鏡，即便面對著沙塵暴的襲擊，仍然在信號質(zhì)量上完勝了位于美國加州的對手。這正是節(jié)目開頭時(shí)發(fā)生的故事。
圖：阿姆斯特朗踏上月球時(shí)的心跳信息，最終由帕克斯接收到
帕克斯望遠(yuǎn)鏡之所以能戰(zhàn)勝比它口徑更大的對手，與它更加靈敏的接收設(shè)備是分不開的。由于擁有小型高精度雷達(dá)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，帕克斯望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)者塔菲·鮑文非常重視接收設(shè)備的靈敏度，這也成了帕克斯望遠(yuǎn)鏡譜寫不老神話的關(guān)鍵。
后來，帕克斯望遠(yuǎn)鏡又多次參與了宇航項(xiàng)目，其中就包括了著名的伽利略號木星探測任務(wù)和卡西尼號土星探測任務(wù)。
脈沖星
除了服務(wù)宇航，帕克斯望遠(yuǎn)鏡觀測的很重要的一類天體，叫做脈沖星或者中子星。
如果說黑洞是宇宙中怪物排行榜第一的天體，那么中子星可能就排在第二。當(dāng)一顆恒星內(nèi)部幾乎所有的原子都在超新星爆炸中塌縮。外層的電子與核內(nèi)的質(zhì)子結(jié)合成中子，原本相聚遙遠(yuǎn)的原子核突然擠到了一起。這時(shí)一個(gè)太陽質(zhì)量的物質(zhì)，就會變成一顆直徑只有十公里的中子星。在這樣的密度下，一勺子的物質(zhì)就有地球上一座山的質(zhì)量。如此小的尺寸可以讓中子星以秒為單位高速轉(zhuǎn)動，并爆發(fā)出以自轉(zhuǎn)為周期的穩(wěn)定脈沖輻射。所以它們中的一些也得名脈沖星。
中子星的環(huán)境非常極端，有關(guān)它們的一切都令天文學(xué)家著迷。帕克斯就在這一領(lǐng)域中功勛卓著。截止目前，人類一共探測到了約三千顆脈沖星。而這其中近三分之二，是帕克斯望遠(yuǎn)鏡探測到的！帕克斯可謂是脈沖星研究中扛把子的存在。
快速射電暴
聽到這你應(yīng)該會同意，帕克斯是一位功勛累累的科學(xué)老兵了。但我們也知道，歲月從來不對老兵寬容。
2001 年，帕克斯望遠(yuǎn)鏡即將迎來它 40 歲的生日。40 年的風(fēng)吹雨打，讓它巨大的網(wǎng)狀碟形反射面銹跡斑斑，徹底失去了當(dāng)初的光澤。支撐巨大天線的橙紅色塔座，就像一個(gè)佇立在平原上的老磨坊，在經(jīng)歷了時(shí)間的洗禮之后，已經(jīng)失去了當(dāng)年的時(shí)尚和科幻的視覺感受[5]。
不過，這一切都是假象。表面的銹跡并不會明顯影響它的工作，他并沒有變得遲鈍，相反，如同40年前一樣，此時(shí)的帕克斯望遠(yuǎn)鏡正陪伴著天文學(xué)家，聆聽著來自宇宙深處的信息。
付出總有回報(bào)。7 月 24 日這天，一個(gè)驚人的天體信號被帕克斯望遠(yuǎn)鏡捕捉并記錄了下來。這個(gè)信號只有短短的幾毫秒，短到當(dāng)天使用帕克斯望遠(yuǎn)鏡的科學(xué)家也沒有意識到它的重要性。但它將在 6 年后開啟天文學(xué)的一個(gè)全新領(lǐng)域，并從多個(gè)角度推進(jìn)我們對宇宙的認(rèn)知。
2007 年，天文學(xué)家鄧肯·洛里默（Duncan Lorimer[6]）在對 6 年前的數(shù)據(jù)進(jìn)行新的搜尋時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)之前從未見過的信號。
這個(gè)信號和脈沖星的信號有很多相似之處，它們都是 G 赫茲頻段的毫秒級脈沖。可它們也有不同。星際空間中的等離子體會讓不同頻率的電磁波略微偏離真空中的光速。這導(dǎo)致，遠(yuǎn)處天體同時(shí)出發(fā)的不同頻率的射電信號，到達(dá)地球的時(shí)間不同。測量這個(gè)到達(dá)時(shí)間差，就可以反推這些信號穿過了多少等離子體，同時(shí)也意味著走過了多遠(yuǎn)的距離。
而這個(gè)神秘的信號推算出來的距離表明它不在我們的銀河系內(nèi)，這與之前的脈沖星完全不同。
我們所在的宇宙廣袤無垠，星系在宇宙中往往距離遙遠(yuǎn)。如果我們把恒星比作湖里的魚，那星系就是一個(gè)個(gè)大湖。湖與湖之間的距離，總是遠(yuǎn)大于湖中魚和魚的距離。所以和類星體一樣，一旦天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)它們和我們不在一個(gè)星系，就同時(shí)意味著它們擁有遙遠(yuǎn)的距離和極高的能量。因此天文學(xué)家形象的給這類現(xiàn)象取名為快速射電暴。
但 2007 年，帕克斯已不再是當(dāng)年傲視群雄的存在了，在建成的四十多年里很多新的競爭者登上了舞臺。帕克斯的這個(gè)新發(fā)現(xiàn)沒有立刻被學(xué)界接受。當(dāng)然，孤例不證也是科學(xué)界的慣例?？山酉聛砀┥霞铀氖?，似乎一些人為的信號也能長得和快速射電暴一樣。隨后的研究發(fā)現(xiàn)，這些人為信號來自于觀測站內(nèi)的微波爐。一時(shí)間，快速射電暴受到了更多的質(zhì)疑。
6 年后的 2013 年，還是帕克斯望遠(yuǎn)鏡，另一批天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了新的 4 個(gè)快速射電暴，并且排除了微波爐的干擾。這終于確定了快速射電暴的真實(shí)性。從那以后，快速射電暴的研究迅速發(fā)展起來。大量的設(shè)備和科研人員投入到這一領(lǐng)域，如今已取得了大量令人欣喜的發(fā)現(xiàn)。
而且快速射電暴遙遠(yuǎn)的距離，短暫而明亮的暴發(fā)，加之超高的事件率，讓天文學(xué)家們不但對快速射電暴本身感興趣，也對把它作為探測宇宙的工具充滿了期待。
目前，快速射電暴還有很多謎團(tuán)。未來我們一定會聽到快速射電暴領(lǐng)域帶來的更多驚喜。而這一切突破都始于帕克斯。
接收機(jī)
轉(zhuǎn)眼又是十多年過去了，如今帕克斯望遠(yuǎn)鏡年過花甲，也被澳大利亞列入了國家遺產(chǎn)名錄。但它每天的工作表，卻依然排得滿滿當(dāng)當(dāng)。它現(xiàn)在的觀測任務(wù)中除了脈沖星、快速射電暴，還有利用脈沖星探測引力波，和搜尋地外文明信號等等。每一項(xiàng)工作，都讓人充滿期待。
這不禁讓人好奇，為什么戰(zhàn)斗了六十年，帕克斯仍然能站在科研的第一線呢？
其實(shí)，其中的原因我們前面已經(jīng)說過，那就是靈敏的接收機(jī)。
與光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的感光芯片類似，接收機(jī)就是射電望遠(yuǎn)鏡的視網(wǎng)膜。巨大光滑的反射面固然重要，但反射面匯聚的信號，必須要經(jīng)過接收機(jī)才能收集起來。而接收機(jī)的靈敏程度，正是射電望遠(yuǎn)鏡能力的瓶頸。
帕克斯望遠(yuǎn)鏡的接收機(jī)，就安置在反射面前方 27 米，三個(gè)支架支撐的焦點(diǎn)上?，F(xiàn)在，帕克斯望遠(yuǎn)鏡的饋源艙里，可以同時(shí)放置多個(gè)接收機(jī)，根據(jù)任務(wù)需求快速切換。為了減少熱運(yùn)動帶來的噪聲，這些靈敏的接收機(jī)都工作在接近絕對零度的環(huán)境里。
雖然天文學(xué)家經(jīng)常說，某個(gè)天體猛烈爆發(fā)，釋放出巨大的能量，但“猛烈”兩個(gè)字，說的只是天體所在的位置而已。那些巨大的能量在穿越茫茫宇宙的過程中會不斷耗散，到達(dá)地球的時(shí)候，能量早已變得極其微弱?？蒲腥藛T必須不斷地推進(jìn)靈敏度的極限，才能做到“于無聲處聽驚雷”。
有人計(jì)算過，帕克斯望遠(yuǎn)鏡現(xiàn)在的靈敏度，是它剛建成時(shí)的一萬倍。正是這種與時(shí)俱進(jìn)，鑄就了帕克斯的不老神話。
射電觀測是不分晝夜的，所以除了檢修，帕克斯幾乎日夜不歇地凝視著宇宙。它多像人類文明一只深邃的眼睛。它跨越過世紀(jì)，越飽經(jīng)風(fēng)霜，越目光灼灼。
信源
劉原