@ 2018.08.29 , 12:00

射电天文学的重生

在上世纪30年代早期,贝尔实验室(Bell Labs)开始试验横跨大西洋的无线通信。这家通信巨人想要详细分析一下在跨洋通信中出现的静电噪声,就找了一位名叫Karl Jansky的工程师来调查这些噪声的来源。最终,他找到了三个噪声源:附近的雷雨、远处的雷雨、以及不知道来自于哪里的一个稳定的噪声……

Jansky花了整整一年的时间,用一种看起来和脚手架残骸差不多的初级天线研究这个稳定的噪声,并最终找到了它的来源:发出这个静电噪音的,就是宇宙本身。“来自外太空的无线电波”,1933年5月,这个结论发表在了《纽约时报》上。“听起来和锅炉中泄露出的蒸汽差不多,只不过这声音穿越了30000光年的距离。”无意之间,Jansky开拓了一门新学科——射电天文学。

如今,Jansky望远镜的复制品伫立在绿岸天文台(Green Bank Observatory,西弗吉尼亚州)前的草坪上,这里还有着美国四台世界级公共射电望远镜之一。其余三台则分别是甚大天线阵(Very Large Array,VLA,新墨西哥州)、阿雷西博天文台(Arecibo Observatory,波多黎各)和超长基线阵列(Very Long Baseline Array ,VBLA,夏威夷州)。它们都是二战之后联邦政府在射电天文学领域投资热潮时期的遗产。

然而,在过去的几年中,国家科学基金会(National Science Foundation,NSF)已经削减了对其中三台射电望远镜的资金。2012年,NSF发表了一份报告,建议联邦削减绿岸望远镜和VLBA的资金——那时候前者才刚刚建好11年,而后者更是先进到能从960英里之外分辨出一枚硬币。三年之后,基金会又要求阿雷西博提出“包括大幅削减来自NSF资金”的运营措施。

如今,这些望远镜的未来充满了不确定性。而这些仪器正忙着绘制相邻星系之间的气态连接,“视线”穿透尚未形成恒星的星云,探寻时空本身的扭曲方式。“射电天文学是一种非常、非常特别的天体物理学,”Brian Kent说到,他是美国国家射电天文台(National Radio Astronomy Observatory,NRAO)的一名天文学家。

尽管这些望远镜还在工作。但在美国,对纯科学研究的支持总是显得很复杂,因为这些研究往往严重依赖于联邦机构的年度拨款以及那些官老爷的心情。出钱的机构会在建造、运营新望远镜与使用旧望远镜之间权衡,还要考虑给那些实际使用这些器材的天文学家的拨款。不过,不管怎样,科学都变得越来越不一样了。

建造巨大的射电望远镜——在现今这意味着要耗资1亿到10亿美金——其实最初是一种分摊成本的措施。上世纪50年代,新兴的射电天文学社群意识到大学是建造不起望远镜的——至少造不起能够推动该领域向前发展的那种望远镜。所以,在1956年,美国成立了国家射电天文台,在绿岸基地建造了一系列的望远镜,并把这些仪器借给全国各地的科学家使用。在波多黎各的阿雷西博300米望远镜始建于1960年,并在后来成为了国家天文与电离层研究中心(National Astronomy and Ionosphere Center)。70年代,NRAO在新墨西哥州开始建造甚大天线阵。

射电天文学的重生

而最近,NARO则帮助智利建造了阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列(Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array,ALMA)。耗资超过10亿美元,NSF出资了5亿美元,每年还要花费超过4000万美元来运营。但是这都是值得的:NSF天文学分部的主任Richard Green认为,目前类似于ALMA这样的望远镜或者干涉仪(通过波的叠加引起的干涉现象来进行观测、获取信息)在美国天文学界更受欢迎,原来那种巨大的单一碟型天线望远镜已经不那么流行了。“我们正在努力回应天文学社群的新兴趣。”他说。这些干涉仪能给一小片区域提供更高分辨率、更清晰的图像——于是就可以用来研究许多天文现象。

天文学家们其实对巨大的单碟天线望远镜还是有兴趣的——特别是对于那些旨在绘制天空中大量气团的图谱、寻找或监测脉冲星,以及找寻那些对干涉仪来说并不敏感的微弱射电源的天文学家来说更是如此。尽管如此,每当谈到削减预算的时候,那些大号的碟状天线还是首当其冲——阿雷西博和绿岸的望远镜都在其中。

现今,随着NSF逐渐削减绿岸和阿雷西博的资金,这两个天文台不得不另寻金主——主要来源是按次付费的私人使用。来自SETI(搜寻地外文明计划,Search for extraterrestrial intelligence )的项目和一群合作寻找引力波的脉冲星天文学家让绿岸天文台暂时活了下来。俄罗斯人则正考虑通过这个望远镜与他们的科学飞船联络。而VLBA则拿到了海军的钱,目标是追踪地球的倾斜角变化。

最终,局面变成了另外一种形态的成本分摊,政府机构找到了可以让这些“旧”望远镜们继续发挥功用的商业模式。目前,NSF仍旧出资使用望远镜的一部分时间用于“开放天空(Open Sky)”计划,这个项目向任何提出好点子的人开放。在剩下的时间里,这些望远镜就任凭它们的客户支配了。这就是眼下的妥协,NSF的NRAO项目主管Joseph Pesce说,“这就让我们能继续运行这些设备了。”他说,“算是个不错的解决方案。”

这也给建造其他资源留下了空间——至少理论上留下了——比如其他天线阵列望远镜。

其实,已经有一个可能的设施快要浮出水面了:下一代的甚大天线阵(Next-Generation VLA,ngVLA。之前的甚大天线阵尽管升级不断,但毕竟已经40岁“高龄”了)。按照目前的规划,ngVLA将会有现在VLA十倍的分辨率和灵敏度,可探测的频率也更宽。主阵列将有214个18米高的天线,散布于新墨西哥州、德克萨斯州、亚利桑那州和墨西哥。19个小一些的天线则坐落在靠近观测中心的地方,另外还有30个18米高的天线分布在美国大陆各处。

Eric Murphy是建造这个尚在设想中设备的科学家。他认为,有了ngVLA,天文学家们就能够制作出各个恒星系聚在一起的高分辨率影片。之前想做这种东西是不可能的,因为婴儿期行星周围的尘埃会挡住它们“诞生”的画面,之前的射电望远镜捕获的画面清晰度都不够。新设备可以观测到6亿5000万光年之外造成引力波事件的碰撞。还可以发现正在形成恒星的星系中的分子。

但一切还没有定论。在付诸实现之前,委员会将把这项计划列入2020年的“十年规划”中进行重要性调研,这个规划由一群天文学家每十年编制一次。如果这个项目在其中能过获得较高的排位——以及后续的投资——那么ngVLA最早会在2025年开工建设。

但这个项目是真的贵:仅仅建造就需要15亿美元,美国政府会出资一半,并且每年再掏7500万美元用于运营。与之相比,绿岸望远镜换算到今天的成本约为1.35亿美元,每年的运营经费也不过1000万美元。“也许明天就啥都没有了,不过至少目前看来还挺有意思的。”Murphy说。

如果最终项目真的被关闭了,他的团队可能会重新编制计划,或者干脆继续使用现在的VLA。另一方面,射电天文学的社群也在努力翻新旧有的望远镜:天文学家们在开发一个新的阿雷西博接收器,能够从根本上改进这个望远镜的视野。与绿岸望远镜合作的组织则在开发一种叫做Argus+的接收器,用于快速制作新恒星生成的星系图像,并且保留丰富的细节。2011年,VLA获得了价值9400万美元的电子器件升级,并且有了一个之前没人用过的新名字:扩展甚大天线阵(Expanded Very Large Array,EVLA)。“但毕竟那是四、五十年前的天线了,”Murphy说,“事情越来越难办了。”

在一个假想的未来,美国有着一个50岁的VLA——以及已经部分私有化的绿岸、阿雷西博望远镜和VLBA——美国的射电天文学家在自己家里已经没什么可干的了。“只有一个绿岸望远镜,也只有一个阿雷西博、一个VLA。”Kent说,“如果没办法让这些设备协同工作,我们的科学家、工程师和教育工作者就没有趁手的工具可用了。”

但是射电天文学家门——在宇宙学机构中总是一帮有点不守规矩的人群——还是会继续想办法让他们的望远镜继续开放、持续运营,并且时不时升级一下。这已经算是老一辈人留下来的科学遗产了。

回到最初,当Karl Jansky完成了他的电话工程后,Bell基本无视了他的天文学发现。贝尔实验室把Jansky调到了另外的项目中。但是在伊利诺斯州的Wheaton,一个叫做Grote Reber的家伙开始对天文学着了迷。

Reber在他的后院中造出了自己的射电望远镜。这台1937年完成的望远镜有一个9.5米(31英尺)直径的碟型天线——那是他能在当地硬件商店中买到的最大的零件。他发布了人类历史上第一幅无线电频谱的银河照片,宛若天空中的一只大章鱼。之后的十年间,Reber不再是世界上唯一的射电天文学家。

当上世纪50年代NRAO初建的时候,他们买下了Reber的望远镜,并把它重新安置在了绿岸天文台——和Jansky望远镜的复制品一街之隔遥遥相对。

本文译自 Wired,由译者 Freez Sun 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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