

12 月 1 日,一根关键缆绳断裂,导致位于波多黎各的标志性阿雷西博天文台发生事故。在捕捉了 57 年来自宇宙深处的无线电波后,重达 900 吨的接收器坠落,砸坏了构成直径 300 米碟形天线的大量铝制面板。
尽管天文台的坍塌令天文学界感到震惊和恐惧,但这并非出乎意料。早在 11 月,在美国国家科学基金会审查了最近的两起缆绳断裂事故并决定退役这个世界级射电望远镜后,该仪器衰败的现实就已经完全显现。但对于一个以数十年为单位进行思考的领域来说,一个月转瞬即逝,震惊的研究人员才刚刚开始思考他们不确定的未来。
冗余是天文学家所没有的奢侈。为了最大限度地发挥昂贵项目稀缺资金的价值,规划者从不建造相同的仪器两次。因此,即使天文学界欢迎中国一座新的尖端设施,并期待下一代射电望远镜,阿雷西博——如同所有天文台一样——填补了一个至关重要的空白。虽然许多阿雷西博项目理论上可以迁移(尽管实际操作中可能会遇到困难),但其他项目则被迫停止。阿雷西博独特的广播能力和频率范围的损失——更不用说其作为科学活动中心的社会作用——将在未来几年内阻碍射电天文学的发展。
“现在有很多项目在世界上的任何望远镜上都无法做得那么好,”西弗吉尼亚大学的天文学家莫拉·麦克劳克林说。
阿雷西博不仅仅是一个精密的耳朵,用于捕捉来自深空的微弱无线电波。它还有一个强大的无线电“声音”,这是地球上任何其他设施都无法比拟的。研究人员在 1974 年曾利用它向被称为 M13 的星团中的任何居民广播了一条无线电信息。这条信息描述了我们的太阳系、人类解剖结构以及阿雷西博碟形天线本身的设计。
此后,该设施主要与更近的天体——小行星——进行“交流”。当其他望远镜进行大范围普查发现新的太空岩石时,美国国家航空航天局(NASA)利用阿雷西博的雷达能力来确定这些天体的真实危险程度。发射机会将无线电波射向小行星,研究人员可以根据反射回来的信号来确定小行星的大小、形状和轨道。
阿雷西博在 7 月底进行的最后一次观测之一,是近距离观察今年发现的一颗更具威胁性的小行星。小行星 2020 NK1 是一个房屋大小的物体,最初估计有七万分之一的几率在本世纪末撞击地球。但通过阿雷西博的雷达测量,NASA 得出结论,该小行星永远不会靠近地球超过 250 万英里。
根据阿雷西博行星雷达项目的首席研究员安妮·维尔基的说法,唯一能够有效地从小行星反射无线电波的其他射电望远镜是加州戈德斯通深空通信综合设施。作为一个 NASA 深空网络的站点,该机构让戈德斯通忙于与遍布太阳系的机器人任务舰队进行通信。据维尔基估计,阿雷西博每年研究约 100 颗小行星,而戈德斯通只能处理一半数量的天体。西弗吉尼亚州的格林班克望远镜正计划为其碟形天线增加雷达功能,但其发射的信号将比阿雷西博的信号更弱、更窄。在可预见的未来,地球将处于“失明”状态。
“整个行星雷达项目都是在 [阿雷西博] 天文台运行的,”维尔基说。“这将受到严重影响。”
许多阿雷西博项目不需要雷达,并且可以设想迁移到其他射电望远镜。但管理者不会让他们的数百万美元的设施闲置,因此系统中几乎没有额外的能力来接纳现在流离失所的阿雷西博研究项目。
麦克劳克林参与了 NANOGrav 合作项目,该项目正处于探测来自大多数星系中心超大质量黑洞碰撞的首批引力波的边缘。毫秒脉冲星——每秒数百次像灯塔一样向地球闪烁信号的旋转中子星——之间微小的节拍不规律性,可能揭示时空中的这些涟漪。NANOGrav 的研究人员已经花费了十多年时间耐心观测 80 颗脉冲星,其中 40 颗来自阿雷西博,40 颗来自格林班克。他们在前十二年的数据中看到了发现的迹象,并希望在处理完长达 16 年的数据运行后不久就能获得确切结果,这将成为阿雷西博科学遗产的一部分。
但为了实现他们最终确定巨型黑洞碰撞的目标,该合作项目需要更多的时间。阿雷西博每年为该项目投入 800 小时,而该团队根本无力在格林班克望远镜上购买同等水平的观测时间(即使购买了,也会牺牲其他研究项目)。天文学家们目前希望从国际合作伙伴收集的数据集中,获取更多关于现在不再被监测的 40 颗脉冲星的信息,但他们对该项目长期潜力的期望,已经随着阿雷西博接收器的坍塌而破灭。
“这就是我们将真正因失去阿雷西博而遭受损失的地方,”麦克劳克林说。“我们将在三、四、五年后真正开始看到影响。”
尽管如此,天文学界是富有韧性的。阿雷西博的缺席很快将成为射电天文学领域的一个新特点,供美国国家科学基金会和其他组织在决定资助哪些新项目时考虑,供研究人员在申请观测时间时权衡。
而这个格局仍在不断演变。研究人员在哀悼阿雷西博的损失的同时,也欢迎中国“天眼”——五百米口径球面射电望远镜(FAST)的到来。FAST 是世界上最大的单碟射电望远镜,在经过十多年的建造和测试后,于去年开始接受国际天文学家的提案。该设施的面积是阿雷西博的两倍多,对某些天体目标拥有更清晰的接收能力,尽管目前配置下它无法接收那么多频率。
射电天文学家还对平方公里阵列(Square Kilometer Array)项目的进展寄予厚望。这是一个国际项目,旨在通过连接南非和澳大利亚沙漠中的数千个小型碟形天线,汇集一平方公里的数据收集区域。该天文台将拍摄比任何其他望远镜清晰五十倍的射电宇宙图像。经过三十年的规划,建设可能在明年开始,该设施可能在本十年末投入使用,尽管成员国是否能够筹集到启动项目所需的十亿美元仍不确定。
美国的研究人员正着眼于一个规模较小的项目——深层巡天阵列-2000(Deep Synoptic Array – 2000)。该项目由加州理工学院牵头,将拥有 2000 个直径约 5 米的碟形天线。该阵列的成本相对较低,估计为 1 亿美元。该项目处于概念设计阶段,但如果资金到位,可能在本十年中期开始对天空进行巡视。其总收集面积将远大于单个碟形天线的能力,并且分布式阵列不易遭受灾难性故障。
然而,在此期间,天文学家们强调,大型阿雷西博碟形天线的结束,不应意味着阿雷西博科学社区的结束。麦克劳克林说,经过数十年的运营,该地区已经汇聚了一批才华横溢的工程师,他们在制冷、接收器以及维持巨型望远镜运行所需的其他机械方面拥有宝贵的专业知识。如果找不到资金来完全重建阿雷西博的碟形天线,她和维尔基都希望该地点能够以其他方式继续参与研究。例如,天文学家可以利用基础设施举办会议,或者可以建造一个小型射电望远镜阵列,至少在一定程度上弥补这个巨人的陨落所造成的空白。
“随着时间的推移,这个空白将开始被填补,”麦克劳克林说。“我确实希望阿雷西博能继续做出贡献。”