【博評】William:反射盤被砸壞 阿雷西博正式完結

2020-12-04 15:04:19 最後更新日期:2021-01-10 02:11:03
William Lam

現實中只是個小職員的軍武 / 科普愛好者

圖片下方反射盤上的洞是一個月前另一條主鋼纜拆斷後下墜造成的破洞,雖然未至於無法修復,但也破壞了穩定結構,對修理工造成潛在風險;至於12月1日的事故,造成800噸的接收平台直接拍到上方盤面,甚至已破壞整個盤面弧形……(片段來源:Twitter截圖)

 

曾經的最大射電天文望遠鏡,位於波多黎各的阿雷西博射電望遠鏡,由於年紀老邁加上缺乏資金維護,上月其營運方中佛羅里達大學、國際斯坦福研究所和波多黎各城市大學剛宣布讓望遠鏡退役,但沒多久即於剛過去的121日美東時間上午6時55分發生嚴重事故,由於其中一條主鋼纜斷裂,反射盤上接近800噸的大型信號接收與處理平台整個跌落,直接砸穿了反射盤並造成大面積崩落。由於信號接收器完全損壞,其作為望遠鏡的功能已經完全報廢。

彈道導彈彈頭進入大氣層時會因為空氣磨擦而變熱並釋出大量等離子體,對周圍的電離層及電磁波的傳送有相當的影響,美軍當時是僅圖比較不同物質在高速進入電離層內所造成的不同,從而分辨出真正的彈頭所在,進行攔截。Photo Credit: Bechtel 2010

 

建於1960年代初並於1963年投入服務的阿雷西博射電望遠鏡,原是一項軍民共用的科研項目,且其建造的軍事目的仍然是今日的顯學-彈道導彈防禦。項目由美國國防部的高級研究計劃署(Advanced Research Projects Agency / ARPA,即今日著名的DARPA的前身)負責,主要是以一種巨型換收天線,以研究大氣電離層,並留意核彈頭穿過電離層時的反應和導彈碎片或誘餌有什麼不同;同時研究也想知道電子與電磁波在電離層的活動情況,這目的又賦與阿雷西博作為巨型雷達及往後相當罕見的複合型射電望遠鏡的功能。

左圖為剛開始平整地盤的工程的阿雷西沃山谷塌陷火山口地區,右圖已是羅織鋪設中的金屬網,作為反射盤鋁板的半球體支架。(Courtesy of the NAIC - Arecibo Observatory, a facility of the NSF)

 

雖然最初是軍事用途,但這個史無前例的巨型雷達又不太值得用於單一且可能持續不到十年的研究,這時電子工程師William E. Gordon有鑑於當時剛剛興起的射電天文學需要更大型的天線,才能進行有效研究,他成功遊說ARPA在設計時附帶進行射電天文研究的功能。

反射盤底下的草地及維持反射盤孤形的基石與纜線。照片來源:Overview of the Arecibo Observatory

超過100公尺以上的可移動盤面,根本上已不是一般機器可支撐及精細測量的水平,故ARPA退而求其次,在一個已塌陷的死火山山口上與建固定的反射盤面。盤面直徑為1000英尺(305米),是由勘在鋁架上的鋁網板所鋪成,並固定於由鋼纜織成的「網格」上,網格再以鋼纜固定於火山口內不同固定點,就而造成接近完全的圓孤形。由於阿雷西博所針對的無線電波波長大約在3 cm (10.0 GHz)至1 m (300 MHz)之間,故就算撞在低於3CM的網格上都可以有效反射,故反射盤雖然非常巨大,但重量較輕且能疏水,避免盤面積水令結構受損。

 

這是貴州FAST射電望遠鏡信號接收裝置在偏移的情況下的可接收及持續觀測角度。這種偏移方式也能讓固定式射電望遠鏡有較大的集中視場,不過FAST的收集器移動幅度遠較阿雷西博大,得到的偏移角度也較大(40度VS19.7度)。當以最大偏移角正向目標時,實際可用的反射盤直徑也會縮小。(圖片來源:維基百科,Phoenix7777繪制,原始資料來自THE FIVE-HUNDRED-METER APERTURE SPHERICAL RADIO TELESCOPE(FAST) PROJECT)

 

先前提到的巨型接收器,為何會是阿雷西博的核心?這除了因為上面有重要的「饋源艙」與信號放大裝置,讓電波變化可以更清晰、方便觀測外,更重要的是接收平台下方有軌道及活動裝置,讓罩形的接收器可以移動到天線反射盤面上不同位置,利用不同區域的孤面集中不同方向的訊號,從而造到讓固定的反射盤可以集中接收不同方向及角度的無線電波訊號,等於是讓天線「轉向」。在這個模式運作下,盤面的實際可用反射直徑約為220米左右。

懸浮空中、只由幾段鋼纜連接的信號接收裝置。之所以用這種較危險的設計,是要減少一般出現在中央並支撐接收裝置的大型衍架對無線電波的干擾。

反射盤中央的六支探針,其實是阿雷西博作為巨型雷達的最重要發訊器。(來源:英文版維基百科,拍攝者:Mariordo (Mario Roberto Durán Ortiz)

 

由於阿雷西博曾經是世上最巨大的單陣射電望遠鏡,就算是停役前還是世界第二大,同時也是現代天文學史中射電天文學的里程碑。傳統射電天文學中,大型天線只負責監聽並接收電波進行分析,但本射電望遠鏡不但是當年最巨大,且還「可收可發」;而且由於面積巨大,信號接收的靈敏度與清晰度更高,且就算是固定盤仍能集中觀測特定方向目標,是故既可進行廣域監聽,又可指向特定區域進行特定目標觀測,故是90年代以前其中一座最重要的射電天文設備。

阿雷西博也是荷理活科幻片的名場景,圖為23年前著名硬科幻電影《超時空接觸》及其女主角朱迪.科士打的劇照,背景是阿雷西博的接收平台及半圖形接收及增幅天線。圖片來源:Miquel Sureda @Gaia_Ciencia

阿雷西博早期的任務主要是監察天空及搜尋、監聽各種天文電波源,從而分析其特性及相關天文現像。基於其靈敏度高,早期是中子星及類星體的發現 / 位置標定者。亦因為其相當強的全天候持續監測能力,一直以來也是SETI(搜尋地外文明計劃,以監聽及解讀宇宙中可疑電子信號、嘗試尋找外星文明的計劃)的重要儀器。亦因為此,它亦成為不少宇宙探索及外星文明有關的電影的指定拍攝背景,故此比起其他重要天文觀測儀器,阿雷西博的知名度往往要高出一截。

6600萬年前墨西哥尤卡坦半島的希克蘇魯伯隕石坑想像圖,這次撞擊直接殺死75%生物,包括除鳥類外所有恐龍。 (VAN RAVENSWAAY/SCIENCE SOURCE)

  

追蹤威脅地球的天體:

早期阿雷西博的「巨型雷達」的功能並沒有為天文研究帶來很大的好處,因為對比起天體級事件,人類發送的電波強度只是九牛一毛,而且反射回來的訊號又會因距離而轉弱,所以早期只用來研究內太陽系天體的情況(向木星等深空天體發射電波,至少要三個小時左右才能收到回波,屆時因為地球自轉,阿雷西博可能已移出接收範圍),兼用作向深空發射電波用,例如73年就曾向宇宙發送關於地球與人類的訊號,期望好些年後有外星文明接收到並解讀等比較「虛無」的任務;不過隨著90年代人類對於小行星撞擊地球的警覺性增加(主要源於正式確認白堊紀-第三紀滅絕事件 / K-T事件事由小行星撞擊促成、94年邱梅克.利維9號彗星連續撞擊木星事件,以及某兩套荷里活災難電影所推動),反而促成阿雷西博的新用途:以雷達追蹤及觀測近地小行星。

利用阿雷西博射電望遠鏡拍到的99942號小行星(長約400米)的雷達影像。圖中甚至可見只有數十米的隕石坑。(照片來源:NASA)

 

 阿雷西博望遠鏡的電波強度,足夠在遠至數千萬公里外觀察小行星的微小運動特性,這有助準備預計軌道及撞向地球的機率;另外90年代的微電子技術發展,加上阿雷西博的大功率與靈敏度高的接收裝置,足以繪製小行星的地形圖,以99942號小行星(阿波菲斯)為例,阿雷西博即曾四次對其進行高精度觀測,並確定該小行星近期內撞擊地球的機率不大;同時又為阿波菲斯繪製較為精確的地形圖。

為實現直接觀測黑洞,全球多個VLBI射電望遠鏡陣列聯網組成的事件地平望遠鏡 (照片來源:ESO)

經典技術,尚能飯否?

事實上,這種超巨大射電望遠鏡在覓地選址及日常營運上都有不少困難,所以那麼多年來美俄中三國都各只建了一台(另外兩台分別是中國的FAST及俄國的RATAN-600,後者構形相當特殊,是環形的)。稍有天文知識的都知道,自從VBLI(甚長基線干涉測量)技術引入到射電望遠鏡陣列後,100公尺以上級別的巨型射電望遠鏡就很少再造了,甚至原有阿雷西博射電望遠鏡的經費都持續減少。

早在8月時,其中一條平台的輔助鋼纜折斷,已經拍壞了部分天線盤。國家科學基金準備於11月時更換新的鋼纜前,另一條主鋼纜突然斷裂,直接把盤面拍出一個大洞(上圖)。(照片來源:UNIVERSITY OF CENTRAL FLORIDA)

 

一直有指VBLI相關的干涉技術能令兩架同時同觀測目標的陣列成為一個直徑與兩鏡距離相等的「虛擬」天線反射盤,而基於無線電波波長比可見光波長大數萬甚至數十萬倍,一架射電望遠鏡的解像度只及1其直徑數萬分之一的光學望遠鏡;要造到極高水平的解像度,反射盤需要數十甚至數千公里的直徑,而這顯然不可能的,是故只有使用干涉原理,把極遠距離的多組射電望遠鏡同步觀測,才能在一定程度上達到這個目的,且亦拜光纖技術及超級電腦的運算能力,這種超大規模望遠鏡終於可行了。

須要留意的是,這些M87黑洞吸積盤圖像是接近連續一個月的觀測後,再將所有數據送到處理中心進行處理才能成像。且所見的「光」基本上是無線電來的。另方面,由於拍攝期間銀河系中心的黑洞並沒吸入很多物質,結果可資成像的訊號不足,暫時還要等呢……(EHT Collaboration et al 2019)

 

不過,這並非代表單面天線陣列一無事處:VBLI要求的是各個天線的同步觀測,再透過大量資料進行分析比對及處理工作,當中的協調、大容量訊號的傳輸及超級電腦的資料整合與處理要求非常複雜,而且對目標的觀測要在不同時段分別進行多次,是故一組VBLI陣列同一段時間可能只能負責數項任務,而且價格較高;另一方面,由於反射盤相對小得多,對較弱信號的獲得能力較弱,所以它們主要負責高能量信號源的研究項目。

相對來說,巨型單陣面的射電望遠鏡電波收集面大,靈敏度其實比較好,也可探測更弱的訊號源,每次觀測所需協調相對也少得多,這點是VBLI射電望遠鏡陣列做不到的,所以巨型單陣面的射電望遠鏡其實可以做為全天監測並進行範圍較大的研究,例如不同星體較微弱無線電訊號的探測與分析。更重要的是,大家的任務重疊度較低,反而其實可以有分工互補關係,大型射電望遠鏡不但可以聯網組成VBLI的一部分,其較強的搜索能力也可成為VBLI的「導星鏡」,指示其他射電望遠鏡觀測暗弱的目標,增加研究的靈活性。

結語:

真的考究的話,只要經過適量升級,阿雷西博射電望遠鏡仍能發揮價值,然而在研究資源不足及NASA其他天文項目嚴重超支(例如已脹至100億美元的詹姆斯.韋伯太空望遠鏡,這變相搶食其他研究資源)的情況下,部分已老舊(但仍有升級潛力)的大型研究裝置難免要關閉,實屬可惜。當然,更可惜的是,就科學文化而言,阿雷西博已經變成一個經典ICON,卻因為沒有經費,不但要停止營運,最終甚至沒能保存下來,不能不說是一個悲劇……

 

悲劇-阿雷西博隕歿之一刻。

發佈於 新知, 博評
By 2020-12-04

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