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如果你看过007系列电影与经典的科幻片《超时空接触》,一定对这个场景不陌生:随着地势盖在山谷中的超大碟型天线,上头悬着大型接收器。没错,这就是鼎鼎大名的“阿雷西博电波望远镜”(Arecibo Observatory)。

阿雷西博的科学

当然,只当电影场景绝对不是它的建造目标。阿雷西博于1963年落成,直到2016年中国兴建的FAST电波望远镜前,一直是世界最大的单镜面望远镜。依地势兴建的碟型天线,阿雷西博只能扫描有限的天空角度,但凭着直径305米的天线,对科学也做出许多重要贡献。

天文学与SETI

对天文学家来说,阿雷西博无疑是相当好用的电波望远镜。太空有许多天体会发射无线电波,从最近的太阳、太阳系内行星、彗星与小行星,到远方的恒星、星系、星系间尘埃,统统都有因不同物理机制发出无线电波的例子。

1974年,阿雷西博更发现了脉冲双星(Binary pulsar),这是两个相当接近的中子星互相环绕的系统。除了相当强的无线电波信号,强大的重力场,对研究重力的物理学家也提供了划时代的进展。因为这歌发现而研究荣获1993年诺贝尔物理奖。

阿雷西博另一最为人知的计划,大概就是“搜寻地外文明计划”(SETI)了。SETI计划是由各种望远镜与各种科学方法组成的大型科学计划,旨在分析并寻找外星发射的文明信号。阿雷西博的大型天线,使它能接收到最远200光年外的信号。同时,阿雷西博装备有电波发射器(Transmitter),所以也可相反向太空发射地球文明信号,借此增加寻找外星文明的机会。

SETI虽然还没找到外星人,但协助天文学家接收更多来自宇宙的信号,并协助了解更多深空天体物理。阿雷西博无疑是SETI的主角,持续为地球敞开太空大门。

太空雷达

我们熟悉的雷达通常安装在军事设施、机场与气象局,探测对象也不会离太远。有没有想过雷达发射的信号可打到太空?阿雷西博正有这个能力,让科学家多年来靠它探测可能对地球有危害的“近地天体”。

悬吊在碟型天线上方的“巨球”,是阿雷西博的接收平台,可说是阿雷西博的心脏。重达900吨的平台,从三方向由绳索固定,可说是个大型吊桥。这是悬挂在空中的实验室,来自碟型天线的电波反射到平台下方后,经过一连串次反射,聚焦到不同的仪器。

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▲仰视阿雷西博接收平台。中间的球形圆顶为各式科学仪器摆放处,碟型天线的信号也在此聚焦。上方支架为移动圆顶的机械与支撑结构。

当阿雷西博当成雷达使用时,藉由平台下方的发射器发射无线电波到太空天体,并接收反射回来的电波。当观测近地天体时,阿雷西博可精准运用多普勒效应,计算近地天体的形状、自转与轨道,最重要的计算它们对地球的威胁有多少。阿雷西博可说是地球的保护网。

▲阿雷西博于今年7月运用行星雷达,观测到的近地小行星2020NK1。可看到狭长的外型。

大气科学

阿雷西博可不只是天文学家专用,对大气科学也有很大贡献。其实兴建阿雷西博时,科学家原本打算将碟型天线焦点放在地球电离层,借此量化研究地球的大气层。但完工后阿雷西博比原本设计要大许多,焦点也变成接收平台,当然就让给天文学家研究了。

不过阿雷西博仍有许多研究大气科学的仪器。藉由平台发射器发射无线电波到电离层,科学家可研究组成、温度与密度,更可定义地球大气与太空的边界。所以阿雷西博的另一个名字叫“国家天文与电离层中心”。

留与不留?

阿雷西博为科学界做出许多贡献时,也慢慢衰老。就在8月,57岁的它出现辅助缆线断裂的情况,原本用来支撑接收平台的缆线,打中下方的碟型天线,造成观测活动中断。原本科学家希望换缆后阿雷西博可继续科学观测,但11月初一条主缆线位移松脱,让整个支撑接收平台的结构出现巨大的危机。

此时,科学与天文界开始为了阿雷西博的去留展开激辩。希望它能继续观测的天文学家搬出过往辉煌的研究成果,对近地天体的观测更是相当重要的数据。但现实面看来,维修阿雷西博与更换电缆的工程实在耗时又耗钱,美国政府对57岁的中年望远镜也失去了兴趣,转而投资更多经费到更新、更有潜力的设备。

阿雷西博的毁灭

终于11月19日,美国国家科学基金会正式宣布阿雷西博将退役,并分阶段拆除有结构问题的支撑缆线与接收平台。

但谁也没想到,就在12月1号早上7点,一声轰隆巨响划破早晨的宁静。支撑平台的剩余缆线应声断裂,整个接收平台和900吨重的心脏与一个缆线塔硬生生撞入下方的碟型天线。虽然造成多大破坏还在评估,但照片与影片仍然震惊所有人。

失去阿雷西博后?

当然,评估这次破坏程度后,衷心希望能有一些辅助设备与仪器活下来,继续或转至其他望远镜服役。唯一庆幸的是,碟型天线旁边的控制室、访客中心与博物馆毫发无伤,倒塌当下也没有任何人员伤亡。

还要庆幸的是,阿雷西博并不是唯一能监测近地天体的望远镜。地表各大天文望远镜与各国人造卫星仍然撒下天罗地网,希望尽早侦测到任何对地球有威胁的天体。中国FAST计划与各国未来先进天文望远镜,无疑也能胜任阿雷西博各项科学任务。

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▲ 全球最大最先进的射电望远镜 -中国FAST

但更该反省的是,对“高龄”科学计划与仪器设备,应尽早让它们退役,还是尽早升级?如果科研计划的经费固定,该有多少得致力于养老,多少致力于辅青?种种问题都考验着握有经费的政府组织与有研究经验的科学家。

至于你和我,倒可以想一想,科学研究计划与仪器得来不易,当硬体与人类一样有生与死时,有没有及时珍惜?