在《错配》系列中，我们深入探讨了国防产业核心的科学技术——士兵与间谍的世界。
西弗吉尼亚州山区一个高耸的山谷里，坐落着世界上最大的一架射电望远镜之一：一个被称为绿岸望远镜的白色面板巨兽，其碟形天线比一个足球场还大，顶部高度几乎与华盛顿纪念碑相当。这架望远镜通常用于收集来自黑洞、脉冲星、超新星遗迹和宇宙气体等宇宙现象的无线电波辐射。在进行这类工作时，它被动地接收这些辐射。但现在，它已经有了使用一种新的、更主动的工具的经验：一台雷达发射机。
得益于国防承包商雷神公司，这架望远镜已经能够发射自己的无线电波，并利用其巨大的碟形天线将它们定向，然后让它们从太空物体上反射回来。反射回来的信号随后被**更多**的射电望远镜收集——这些遍布全球的天线是“甚长基线阵列”（Very Long Baseline Array）这个仪器集合的一部分。这些雷达信号的数据可用于生成月球、行星、小行星和空间碎片——这些都是科学界和国防界都感兴趣的目标——的详细图像，并了解更多关于它们的细节。
雷达的诞生
这次合作的“罪魁祸首”是史蒂文·威尔金森。“我是煽动者，”雷神公司首席技术研究员威尔金森开玩笑地承认道。早在 2019 年，威尔金森就一直在研究超高精度时钟，但需要寻找新的资金来源。于是，他参加了美国天文学会会议，希望能与国家射电天文台（NRAO）的某位人士谈谈那些时钟——这项技术是射电望远镜仪器中不可或缺的一部分。NRAO 是一系列联邦资助的望远镜，世界各地的天文学家都可以使用。
在会议上，威尔金森遇到了 NRAO 的总监托尼·比斯利，比斯利确实想要一个合作伙伴——但不是在计时领域。他想要一个雷达合作伙伴。“这是我们公司核心的竞争力，”威尔金森说，“我简直不敢相信我的耳朵。”
威尔金森总是乐于接受新实验，于是他回到了雷神公司，并试图说服老板在巨大的绿岸望远镜上安装一台雷达发射机——绿岸望远镜曾是 NRAO 的一部分，现在是一个独立的设施，但经常与 NRAO 项目合作。（披露：我曾在绿岸天文台工作，即绿岸望远镜所在地，从 2010 年到 2012 年担任教育工作者。）
“对于雷达来说，你担心的是发送信号然后接收它，”NRAO 和绿岸天文台联合雷达部门负责人帕特里克·泰勒说。“所以你会损失很多能量，信号发出去了，又回来了……从这个意义上说，你需要非常大的望远镜。而世界上最大的望远镜就是射电望远镜。”而收集返回信号的望远镜阵列，恰好属于 NRAO。
到 2020 年 10 月，雷神公司射电天文台联合团队已经建造了一个 700 瓦的原型发射机——功率大约相当于家用微波炉——并将其放置在望远镜的主焦点处。
系统就位后，联合团队已经进行了三种类型的测试：涉及月球、小行星和空间碎片的实验。“这三个是我们想要关注的主要领域，”泰勒说。“行星尺度的天体，如月球；小型天体，如小行星和彗星，用于行星科学和行星防御；以及空间碎片，主要用于安全、保障以及对地球周围事物保持了解。”
照亮所有这些天体——自然和人造——的系统是相同的：雷达信号从望远镜发出，从天体上反射回来，然后被其他望远镜收集。
飞越月球
月球测试返回了也许是最引人注目的结果，展示了阿波罗 15 号着陆点和第谷陨石坑的肖像，其细节程度堪比美国地质勘探局的地球象限图。这些图像是从数十万英里外拍摄的，其细节程度与“月球勘测轨道飞行器”（Lunar Reconnaissance Orbiter）上搭载的高科技相机拍摄的图像相当，正如其名称所示，该飞行器正围绕月球运行。
随后，该团队将无线电波射向距离地球 130 万英里的一颗小行星。这颗岩石天体的宽度仅约 0.6 英里——虽然它太小了，从远处看拍出令人印象深刻的照片，但如果它与地球相撞，那将是令人不安的。寻找这类小行星、追踪它们的轨道并了解它们的特性，可以帮助科学家判断全球性灾难是否正向地球逼近，并在发生时制定缓解策略——这项能力最近在“双小行星重定向测试”（Double Asteroid Redirection Test）中得到了展示。（该任务涉及将一艘宇宙飞船撞击与另一颗小行星轨道相连的小行星，以查看撞击是否能改变其轨迹。该测试是**成功的**。）
“从发现小行星的角度来看，雷达并不擅长，”泰勒说，“但一旦小行星被光学或红外望远镜发现，雷达在跟踪、监测和表征它们方面则非常出色。”
重要的是，团队的双方——雷神公司和绿岸天文台及 NRAO 的人员——也都有兴趣利用雷达系统来探测空间碎片。这些物体将位于远离地球的地方，介于地球静止轨道（距离地球约 22,000 英里）和月球轨道之间。“随着越来越多的载荷前往月球，那里的垃圾会越来越多，”泰勒说。“特别是如果我们开始发送载人载荷，我们显然正在计划这样做，你将需要能够追踪这些碎片。”
威尔金森举例说，最近从“阿尔忒弥斯一号”（Artemis I）任务（为人类重返月球做准备）中发射的火箭助推器。“我们将试图找到它，成像它，并做一些很酷的事情，”他说。
了解碎片的性质对科学家和可能远行的民用项目都有意义，但它也与国防有关：例如，**太空部队**正在关注这个问题，而**空军研究实验室**（AFRL）甚至还有一个名为“月地空间巡逻系统”（Cislunar Highway Patrol System，CHPS）的项目，根据 AFRL 的一份声明，该项目将“搜索像任务相关碎片、火箭体和其他以前未被追踪的月地空间物体等未知物体，并提供近月或月球周围其他难以从地球观测到的月地空间运行的航天器的位置更新。”
当然，你不希望太空垃圾碎片伤害宇航员或损坏/摧毁航天器。但**军方**和**情报**官员也普遍并且具体地通过 CHPS 等项目，试图了解更多关于其他所有人 spacecraft 的信息，以及它们在做什么。强大的地面雷达，如果它能够监视碎片，那么在技术上也能对活动的卫星做同样的事情。
展望未来
团队希望，现在低功率原型机已经完成了演示工作，更高功率的雷达系统将成为望远镜的永久配置。这项工作可以反馈到雷神公司的其他项目中。“我们可以承担更多一点风险来开发技术，并将在那里学到的东西融入到我们的其他产品中，”威尔金森说。他说，这个系统可以成为该公司未来在静止轨道和月球之间空间进行跟踪工作的试验台——这项科学实验可能催生下一代“空间态势感知”技术。
团队的双方都在美国国家科学基金会的资助下，为更高功率系统进行概念设计。NRAO 雷达部门的项目科学家弗洛拉·帕加内利说，这是她第一次能够参与到正在建造中的地面望远镜工具的制定过程中。在此之前，她是卡西尼雷达科学团队的成员，并曾在 SETI 研究所工作，之后加入 NRAO。
对该仪器拥有如此大的发言权，在当下非常重要。对于帕加内利这样的研究人员来说，这样一个仪器将比几年前对科学的贡献更大。这是因为几年前，美国有两个“行星雷达”，或者说能够进行观测月球、行星和小行星的系统。
如今，只剩下一个——位于加利福尼亚州的金石（Goldstone）。因为位于波多黎各标志性阿雷西博天文台（Arecibo Observatory）的另一个已经无法使用了。令人遗憾的是，该望远镜于 2020 年倒塌：悬挂在碟形天线上方的平台**坠入其面板**。泰勒在那里工作了多年，之后又在月球和行星研究所（Lunar and Planetary Institute）任职，然后来到 NRAO。“在绿岸望远镜上安装雷达，这是我们很多年来一直在考虑的事情，基本上是为了补充其他现有系统，”他说。
由于没有重建阿雷西博或类似望远镜的确切计划，绿岸代表了美国第二个此类雷达系统的最佳希望。泰勒谈到绿岸的系统时说：“它从一个可以补充阿雷西博的东西，变成了一个可以介入并填补空白的东西。”帕加内利指出，科学界的雷达专业知识现在可以汇聚在那里。
威尔金森虽然来自企业国家安全领域，但也对天文学有着内在的兴趣，这使得这个双重用途的项目让他感到兴奋。同样令人兴奋的还有天文学的开放性。“我们在这里做的很多事情，通常都不能公开谈论，”雷神公司的威尔金森说。而宇宙的秘密，则是等待被发现和分享的，而不是被保守的。
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