近日，美國的阿雷西博射電望遠鏡垮塌，世界上只剩中國FAST一隻“天眼”。阿雷西博在服役的57年中有哪些科學貢獻？它和FAST有何異同？

新媒體編輯/房永珍

12月1日，位於美國海外屬地波多黎各的阿雷西博望遠鏡因結構失控而發生垮塌。人們紛紛感嘆，世界失去了一隻“眼睛”。

阿雷西博望遠鏡於1963年建成，口徑305米，在其主鏡盤上方接近150米的高處，懸吊著重達900噸的科學裝置平臺。在2016年9月“中國天眼”500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）建成前的53年中，它一直是世界最大的單口徑射電望遠鏡（這類望遠鏡區別於傳統的光學望遠鏡，接收的是無線電訊號）。

在半個多世紀的服役期間，阿雷西博望遠鏡曾數次遭颶風、熱帶氣旋和地震的衝擊，一直安然無恙。2017年9月，四級颶風瑪利亞過境波多黎各之後，望遠鏡長達29米的430兆赫茲天線發生斷裂並掉到主鏡盤上，損壞了38000塊鋁板中的約30塊，但並未對望遠鏡主體造成過多損壞。

今年8月和11月，阿雷西博望遠鏡的輔助鋼纜、主鋼纜先後斷裂。11月19日，望遠鏡的主管單位美國國家科學基金會宣佈阿雷西博望遠鏡將退役，並以可控方式拆除。但正當全世界的科學家在網路上聯名請求美國官方取消這一決定時，阿雷西博望遠鏡的裝置平臺突然倒塌，3座支撐塔的頂部也均發生斷裂。

在匆匆謝幕之前，阿雷西博望遠鏡曾經為人類揭開各種天體的秘密，從與地球擦身而過的小天體，到遙遠星系傳來的無線電波脈衝，都逃不過這隻銳利的“眼睛”。

半個世紀的研究碩果

週期性發射脈衝訊號的天體“脈衝星”於1967年被發現，天文學家原本認為它們屬於白矮星。但是1968年，阿雷西博望遠鏡發現了蟹狀星雲中心一顆脈衝星發出的33毫秒間隔脈衝——如此驚人的速度不可能是白矮星發出。阿雷西博的這一發現，使“脈衝星是快速旋轉的中子星”理論得到堅實的支援。

1982年，阿雷西博望遠鏡又發現了一顆脈衝間隔僅為1.6毫秒的脈衝星PSR 1937+21，這是當時觀測到最快的脈衝頻率，也是第一顆被發現的“毫秒脈衝星”。之前的儀器雖然能探測到這些脈衝，卻很難將脈衝分辨出來。但這項發現讓天文學家感到疑惑：隨著年齡的增長和能量的消耗，脈衝星的旋轉會逐漸減慢。隨後他們意識到：年老的中子星透過吸取臨近恆星的物質，可以加速旋轉。

脈衝星靠消耗自轉能而彌補輻射出去的能量，因而自轉會逐漸變慢。這種變化非常緩慢，因此脈衝星作為“自然時鐘”的精確度極高。但當有引力波干擾空間的時候，脈衝星發出的電磁波所經過的路徑就會被週期性地壓縮和拉長，導致望遠鏡接收到的脈衝訊號出現週期性地早到和延遲。因此，對脈衝到達時間進行長期監測，還有希望捕捉到引力波訊號。

雖然首個引力波事件在2015年才被引力波天文臺（LIGO）正式發現，但天文學家們早就在阿雷西博天文臺發現了引力波存在的間接證據。

1974年，阿雷西博望遠鏡首次發現了圍繞另一顆恆星旋轉的脈衝星PSR 1913+16。研究者跟蹤其脈衝訊號長達數年後，發現脈衝星與其伴侶恆星的距離越來越近了。而這個“脈衝雙星”系統能量的減少，與廣義相對論預測二者產生引力波造成的能量損失精確符合。這個對於引力波的間接觀測成果，獲得了1993年的諾貝爾物理學獎。

阿雷西博望遠鏡還透過對脈衝星的觀測，間接發現了首個系外行星。這個發現有點“幸運”成分：1990年，在望遠鏡的維修期間，地球的自轉帶著阿雷西博望遠鏡的視野掃過了脈衝星PSR B1257+12。研究者發覺，這顆脈衝星發出的訊號有輕微的擾動，並推測這是行星引力影響的結果。

近年來，隨著開普勒太空望遠鏡等地外行星搜尋計劃的努力，已經有數千個地外行星被發現。其中脈衝星的行星的比例其實並不大。

倒塌之前，50餘歲的阿雷西博望遠鏡還對破解神秘的“快速射電暴”（FRB）做出了貢獻。這類訊號是來自宇宙未知區域的高能無線電波脈衝，阿雷西博望遠鏡於2012年首次探測到快速射電暴FRB 121102，並在2015年又接收到同一個訊號，這在歷史上屬於首次。發現重複快速射電暴，排除了這部分訊號是由天體撞擊等獨立事件產生的可能性。另一方面，由於 FRB 121102的重複發生，天文學家得以發現該訊號源頭：25億光年外的一個矮星系。

獨一無二的雷達天文儀器

阿雷西博望遠鏡除了口徑，另一個獨特的優勢，在於它能夠發射無線電訊號——這些訊號在太陽系行星或小行星的表面經過反射後返回地球，能夠帶來有價值的資訊。例如，金星的大氣中有厚厚的雲層，難以透過光學望遠鏡進行表面觀測，而藉助阿雷西博望遠鏡，天文學家拍攝了高解析度的金星雷達圖片，為麥哲倫探測器對金星的觀測帶來了重要參考。

1965年，阿雷西博望遠鏡的雷達觀測結果顯示：水星自轉的週期是59天，而不是此前理論上預測的88天。

天文學家原本認為，正如月球的一面永遠朝向地球那樣，水星也被引力“潮汐鎖定”，它公轉與自轉一週的時間相等，且同一面永遠朝著太陽。因為水星的公轉週期是88天，因此科學家認為它的自轉週期也是88天。

但阿雷西博望遠鏡的觀測結果，讓科學家思考新的可能性，繼而確認了水星的“軌道共振”現象：水星每圍繞太陽公轉兩週，本身完成自轉三週。這種現象隨後在木星等大型天體的衛星上也被發現。

阿雷西博望遠鏡還在水星上發現了水。

水星是距離太陽最近的行星。但阿雷西博望遠鏡在上世紀90年代的觀測暗示著，水星兩極隕石坑形成的永久陰影中，可能儲存有水冰。2012年，美國的信使號探測衛星前往水星，近距離確認了這一結果。

進入21世紀後，已過極盛時期的阿雷西博望遠鏡還觀測了許多太陽系內的小行星。理解這些近地小行星的特徵，對於保護人類、監控太空威脅至關重要。1989年，阿雷西博望遠鏡獲取了小行星“4769 Castalia”的無線電照片，揭示了太陽系中首個“雙瓣小行星”的模樣。近年來，該望遠鏡還發現了圍繞彼此軌道轉動的雙小行星和三小行星系統。

未來的“天眼”

阿雷西博望遠鏡的倒塌，給射電天文學“砸出一個大洞”。繼該設施之後，美國目前最大的射電望遠鏡是位於西弗吉尼亞州的100米口徑綠岸天文臺。但阿雷西博望遠鏡數分鐘的觀測資料，小型的望遠鏡可能要收集數個小時。

阿雷西博望遠鏡雖然不再服役，但該天文臺的其他部分，例如研究空間氣候和地球磁圈的鐳射雷達等仍將繼續工作。美國國家科學基金會宣佈將拆除阿雷西博天文臺的剩餘部分，但在該地留下一座研究中心。

幸而阿雷西博望遠鏡的一些功能，被“中國天眼”FAST等新建的天文學裝置所取代。更大尺寸的射電望遠鏡能夠增加微弱訊號的探測靈敏度，幫助跟蹤普通望遠鏡難以分析的天體。

自今年1月驗收以來， FAST設施執行穩定可靠，取得一系列重大科學成果，發現脈衝星數量超過240顆，基於FAST資料發表的高水平論文達到40餘篇。藉助FAST，我國科研團隊正迅速成為國際快速射電暴領域的核心研究力量。有天文學家認為，FAST還有望找到週期小於1毫秒的脈衝星。自轉速度如此之快的脈衝星可能自行崩解，相關的觀測結果可能給物理學帶來新的啟示。

FAST和阿雷西博望遠鏡都是大口徑球面射電望遠鏡，其設計有許多相似之處，但也不完全相同。這類望遠鏡更容易建造，但與弧度更大的拋物線射電望遠鏡（如綠岸天文臺）相比，這類望遠鏡的訊號不能反射到一個點上。

阿雷西博望遠鏡懸吊著的訊號接收站中，包含有二級和三級反射鏡面，能夠糾正球面相差。FAST採用了另外的解決方案——與阿雷西博望遠鏡的固定反射面不同，FAST應用了主動反射面技術在地面糾正球面相差：在FAST主鏡面的近4500塊鋁質反射板中，有一部分可以作出傾斜，使望遠鏡的區域性形成拋物曲面，瞄準太空中的不同區域。

這種設計也使得FAST的饋源艙更加“小巧”（約30噸重，由6座饋源塔拉動）。不過，由於沒有大型的懸吊儀器平臺，FAST與阿雷西博望遠鏡的一個顯著區別，就是不具備無線電發射功能。

1974年，阿雷西博望遠鏡還曾向位於武仙座的球狀星團M13傳送了一串由1679個二進位制數字組成的訊號，稱為“阿雷西博資訊”。 阿雷西博資訊是從地球發射出的最強訊號，發射它的部分原因是為了展示升級後的天文臺新增的高功率雷達發射器。

阿雷西博資訊的另一個意圖，在於與外星文明進行交流。該資訊由美國康奈爾大學的天文學家弗蘭克·德雷克和物理學家卡爾·薩根設計，內容包括了人類DNA的化學元素序號和結構、人類外形，以及太陽系的資訊等。M13星團距離地球約25000光年，包含約30萬顆恆星，許多恆星系的年齡至少有120億年，因此有充足的時間孕育出生命。

阿雷西博望遠鏡的科學征程已經謝幕，但它向遠方送出的問候，還將在宇宙中飛馳千萬年。

出品：科普中央廚房

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