阿雷西博望远镜正式“退役”,人类为探测太空有多努力?

借着阿雷西博的“陨落”,我们就来盘点下人类在天文探索上的种种努力和成就吧。

今年可以说是中国的天文大年,先是火星探测器天问一号成功发射奔赴火星,再是现在嫦娥五号登月器已经成功完成月球采样后顺利升空,并且第一次将五星红旗在月面上成功展开。

阿雷西博望远镜正式“退役”,人类为探测太空有多努力?

同一时间,位于加勒比地区波多黎各的美国阿雷西博射电望远镜则陆续坍塌,直到12月1日,望远镜悬挂的接收设备平台当天坠落并砸毁了望远镜反射盘表面。这使得阿雷西博射电望远镜彻底失去了维修的价值,只能宣布彻底“退役”。

阿雷西博望远镜正式“退役”,人类为探测太空有多努力?

毋庸置疑,中国的太空探索的步伐正在加速,但我们与美国的太空探索的实力还有相当长的差距。要知道阿雷西博射电望远镜早在1963年建成,运行将近60年,直到2016年中国的500米口径球面射电望远镜FAST“天眼”建成,它一直都是全世界最大的单孔径望远镜。

最重要的,阿雷西博射电望远镜在人类的外太空的天文探测上面也有众多贡献。借着阿雷西博的“陨落”,我们就来盘点下人类在天文探索上的种种努力和成就吧。

阿雷西博:宇宙探测站和地球信号塔

阿雷西博望远镜地处大西洋加勒比海的波多黎各群岛之中,距离美国本土2000公里。阿雷西博不同于之前其他任何望远镜之处在于它是按照当地自然地貌改造而成的。工程师利用当地自然形成的一个碗状的石灰岩地形,建造出的一个直径为305米的射电望远镜,远远超出当时最大口径不超过100米的人造望远镜天文台。

可以说,我国贵州黔南州平塘县的“天眼”射电望远镜也借鉴了类似的工程方法,这样可以减少工程施工量,也能进行很好的排水。阿雷西博望远镜的出现,成为与自然景观结合而成的天文学工程典范,同时也是人类天文学观测技术上的一个高峰。

阿雷西博射电望远镜,不同于普通望远镜只接收可见光,它可以接受可见光之外的辐射波,比如宇宙星空发射到地球的射电波,天文学家可以借此观测那些肉眼看不见的低温目标或者弥漫在宇宙中的星际气体。人类通过这种特殊金属结构的望远镜来接收信号后,经过处理,就可以呈现出宇宙的实际影像。

2016年之前,作为全球最大射电望远镜,阿雷西博可谓功勋卓著。1964年,投入使用不久的阿雷西博在对水星进行观测后,将水星的自转时间确定为59天,而非此前认为的88天。

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不久之后,阿雷西博又在蟹状星云的中心发现了一颗隐藏的脉冲星,也就是旋转的中子星。中子星是大质量恒星死亡之后的遗迹,它的存在颠覆了当时科学家对于物质状态的传统理解。这是人类第一次发现中子星存在的确凿证据,为天文学对恒星的生命演化过程的认识补齐了最后一块拼图。在此基础上,有天文学家通过阿雷西博再次发现两颗相互绕转的中子星,他们还通过这一发现获得了诺贝尔奖。

此后,阿雷西博望远镜经过升级改造,从原本的金属网骨架添加了38000块可以独立调整的铝板,大幅提高了观测精度,将无线电信号的波段从500兆赫提升到了5000兆赫。

此后,阿雷西博望远镜的探索能力更为惊人。在1990年,阿雷西博在太阳系外发现一颗新的脉冲星,并且确认脉冲星附近有三颗环绕它的行星,这是人类第一次发现太阳系外的行星,这意味着像地球这样的行星在宇宙中是普遍存在的,那么人类可能并不孤独。这一发现也让研究者获得了诺贝尔奖。

从太阳系小天体到遥远的太空深处的脉冲星,阿雷西博获得了众多的“人类第一次发现”。而阿雷西博望远镜的另外一大贡献就是对于外星文明探索作出的努力。

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(阿雷西博信息)

为了跟外星文明取得联系,1974年,阿雷西博望远镜向球状星团M13发射了一系列二进制代码信息,期望可以被潜在的外星文明接收到。这一组二维码信息包含了数字、人类DNA结构、人体形态、太阳系结构和阿雷西博望远镜本身信息,可谓是全方面暴露了地球和人类的最重要信息,如果真的有外星文明接收到这一信息,按照大刘提出的“黑暗森林法则”,那么很可能某一天我们地球就被外星文明接手了。

同样,阿雷西博望远镜也在长时间检测这样的信号,试图搜寻地外生命存在的迹象。因为我们相信如果宇宙中存在高等级智慧生命,它们也会发射出可破解的无线电信号。但我们至今也没有接收到这样的信号,可能这是人类太过年轻和天真?

作为全球最大的射电望远镜,阿雷西博非常具有科幻电影的镜头感,还曾参与《007黄金眼》、《接触》、《X档案》等热门影视剧的拍摄,可谓是发展了一份副业。但阿雷西博更重要的一个作用是作为天文爱好者的科普中心,增进公众对天文科学的兴趣。

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不过,从2010年之后,进入天命之年的阿雷西博开始出现各种状况,而因为日常检修和维护的费用常常无法及时到位,致使阿雷西博望远镜无法得到妥善修缮。而最近这几年又因为飓风等热带风暴的剧烈破坏,使得阿雷西博的支撑钢缆在今年最终不堪重负,与整个观测平台一起坍塌。

未来,阿雷西博想要重获新生的方法只有重建一项,但高昂的建设成本可能是美国国家科学基金会接下来要考虑的主要问题。

仰望星空,我们对宇宙的探测从未停止

人类对宇宙星空的好奇,应该是从数十万年之前就已经开始了。面对浩瀚星空,远古人类很难不幻想太阳、月亮和星辰与自己生活的世界存在着千丝万缕的关系,决定着自己和族群的祸福兴衰。

在人类众多文明的文献记载中,早已有了对于星空的记录,如那个消失的玛雅文明记录下的星盘,古希腊的星表记录下上千颗恒星,而我国古代记录星空的文献《星经》也记录了数百颗恒星的相互位置。

在发明天文望远镜之前,可以说对星空的观测全凭人类肉眼,所幸当时地球上也没有太多的光污染,人类在夜晚也没有过多的娱乐活动,观测天象成为很多人的爱好,但很少人能把其作为一生的事业。

阿雷西博望远镜正式“退役”,人类为探测太空有多努力?

生于十六世纪丹麦的第谷·布拉赫是最后一位也是成就最大的一位用肉眼观测星空的天文学家,他编制的恒星表非常的准确详尽,对于推翻地心说起到了重要的作用。

伽利略成为近代天文学的最重要开创者,他发明了天文望远镜来观测天体,从而发现了凹凸不平的地球表面,又发现了木星的四颗卫星、土星的光环、太阳黑子以及银河的组成等。

在第谷的观测数据的基础上,开普勒发现了行星运动的三大定律,使得人类开始真正为宇宙立法。随后在牛顿的天才发现下,用万有引力定律解释了天体运动的的数学原因。

但随着更多天文观测数据的出现,更多的宇宙现象亟待解释,比如,星近日点进动、光线在引力场中的弯曲、光谱的引力红移、引力透镜等,并不能完全用牛顿力学解释,直到爱因斯坦的广义相对论的提出,再一次为牛顿的天体物理学做出了修正。但是广义相对论提出的更多理论则又需要进一步的观测去证实,这就离不开人类此后兴建的一座座天文望远镜的功劳了。

阿雷西博望远镜正式“退役”,人类为探测太空有多努力?

二战之后,大型天文望远镜开始建设。1946年﹐英国曼彻斯特大学开始建造直径66.5米的固定抛物面射电望远镜。1957年10月,英国的Lovell射电望远镜也投入使用,直径达到76米。最初用于跟踪运载火箭,后来在美国和俄罗斯早期的航天探测中发挥作用。

到了60年代﹐美国建成了国立射电天文台的42.7米射电望远镜,加拿大建成46米射电望远镜﹑澳大利亚建成了64米的Parkes射电望远镜,这三座都是全可转抛物面射电望远镜。

1963年建成的阿雷西博射电望远镜是这一波望远镜建设的最高峰。

在上世纪60年代,通过观测发现了强引力天体、宇宙微波背景辐射、黑洞等天文学现象,广义相对论的一系列猜想才被陆续证实。

1962年,英国剑桥大学卡文迪许实验室的赖尔利用干涉的原理,发明了综合孔径射电望远镜,大大提高了射电望远镜的分辨率,其特点是用相隔两地的两架射电望远镜来接收同一天体的无线电波进行协同干涉。

阿雷西博望远镜正式“退役”,人类为探测太空有多努力?

80年代以后,发展望远镜天线阵成为一种新趋势,欧洲的VLBI网(EVN),美国的VLBA阵(一个跨距8000公里,由10台分布全美国的口径25米射电望远镜组成的望远镜阵列),日本的VSOP相继投入使用。这是新一代射电望远镜的代表,它们在灵敏度、分辨率和观测波段上都大大超过了以往的望远镜。

目前射电天文学领域已经广泛应用长基线的干涉技术,将遍布全球的射电望远镜综合起来,获得了等效口径相当于地球直径量级的射电望远镜。

2008年,科学家们终于建立了一个横跨四大洲的射电望远镜阵,位于波多黎各的阿雷西博天文台也参加了这一项目。

目前正在建成的地球上最大射电望远镜阵是多国一起建设的平方千米阵列巨型射电望远镜阵(SKA),将被用于探索引力波和暗能量,或在极端条件下测试爱因斯坦的相对论。

阿雷西博望远镜正式“退役”,人类为探测太空有多努力?

在2016年,美国科学家通过激光干涉引力波天文台的两处LIGO探测器首次发现两个黑洞合并后发出的引力波信号,至此才为广义相对论补足了最后一块“待验证”的拼图。

现在,天文探测的重心转向中国。2016年,我国贵州喀斯特洼地建成的口径500米的球面射电望远镜FAST“天眼”,能够接收110亿光年外的微弱信号。FAST的建成至少领先全球天文界20到30年。

“我们从哪里来、到哪里去”,太空探测的最纯粹动机

实际上,地球上的射电望远镜只是人类探索宇宙的方式之一。除此之外,我们还有发射到外太空的空间望远镜和空间探测器。

世界上最著名的太空望远镜是1990年发射升空的哈勃空间光学望远镜,由于在地球大气层之上,不受大气影响,成为弥补地面望远镜观测局限的最重要的天文观测仪器。

为了让哈勃望远镜上天,美国的国家科学院从1962年就将空间望远镜列入了太空计划,此后经过长期的技术准备和在资金上面的博弈,才在1978年正式立项设计,又经过了多年的光学镜片的技术突破和预算的持续膨胀,终于在1990年成功发射并投入使用,此后又经过了高成本的数次维修。

从哈勃望远镜的原始预算4亿美元,到最终花费的25亿美元,到后面的高额维修开销,我们不禁要感慨,人类要为何要花费如此高昂的代价去探索太空。

阿雷西博望远镜正式“退役”,人类为探测太空有多努力?

哈勃空间望远镜的主要任务是探测宇宙深空,解开宇宙起源之谜,了解太阳系、银河系和其他星系的演变过程。现在哈勃证明了黑洞的普遍存在,探索了宇宙早期的“原始星系”,搞清楚了早期恒星的形成过程、对猎户幸运的年轻恒星的许多尘埃碟进行了探测,发行了木星卫星上存在氧气等等。

2019年5月,科学家利用哈勃望远镜做成了最新的宇宙照片——“哈勃遗产场”,这是迄今最完整最全面的宇宙图谱,由哈勃在16年间拍摄的7500张星空照片拼接而成,包含约265000个星系,其中有些已至少133亿岁“高龄”,我们人类将深入了解更早的宇宙历史。

至此,我们看到人类花费巨资进行太空探测,除了有一些出于大国科技博弈的国力竞争以及所谓科技带来的实用技术发明的考虑,最根本也最纯粹的动机就是对宇宙起源和宇宙深处秘密的探索。

阿雷西博望远镜正式“退役”,人类为探测太空有多努力?

“宇宙从哪里来”和“我们从哪里来”成为作为宇宙中目前已知(自知)的高级文明存在的人类必须要追寻的问题。

我们只有不断向宇宙更早之时和更深之处进行探索,探寻可能合适人类生存的行星或者有高级文明可能存在的星系,可能是我们这个孤独的宇宙观测者无法摆脱的宿命。

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