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月球空间站5.阿雷西博望远镜大家好!欢迎来到我的播客月球空间站。今天是第5期,讲讲阿雷西博望远镜。阿雷西博望远镜位于波多黎各,佛罗里达州迈阿密东南1600公里,是加勒比海上的一个小岛,岛上有卡斯特地貌,就是那种四周高,中间低的盆地,正好适合建大型望远镜。波多黎各是美国的一个自治邦,根据我粗浅的理解,类似于香港澳门在中国的地位。插句题外话,刚刚结束的奥运会,美国拿了39块金牌,位列第一,但是这个金牌数是根据每个国家和地区的奥委会来统计的。一个主权国家是可以有好几个奥委会的。如果按照国家来,波多黎各拿了1块,加上美国本土,一共40块,而中国大陆拿了38块,香港1块,台湾2块,一共41块,所以中国应该排第一的。说回这个望远镜,正式名称叫阿雷西博天文台,它是由美国自然科学基金委管理,又叫国家天文和电离层研究中心,简称NAIC,之前呢,干脆叫阿雷西博电离层观测。至于为什么叫这个名字,稍后我会讲。这个望远镜口径有305米,利用了卡斯特地貌的天然地形,反射面是一个球面,也就是说在望远镜的上空能找到一个位置是球心,望远镜上任何一个点到这个球心的距离都相等。在反射面的上空168米处,有一个中央平台,由钢缆吊起,里面安装了接收机以及雷达发射装置。望远镜1963年完工,直到2016年中国的FAST启用之前,它都是世界上最大的望远镜。阿雷西博望远镜在射电天文方面做出了很多重要发现,但是呢,最初建设它的目的并不是研究天文,而是研究电离层,这也是它叫做阿雷西博电离层天文台的原因。为什么要研究电离层呢?因为电离层的高度是80到1000公里,导弹就在这个高度飞行,所以关于电离层的一切研究军方都很感兴趣。另一方面,1957年苏联发射了人类第一颗人造卫星Sputnik 1号。这个事件震惊了美国人,直接促成了1958年国防高等研究计划属DARPA以及美国国家航天局NASA的诞生。NASA这个机构就不说了,经常在各种电影中出现。DARPA其实也很有名,是神盾特工局的现实版。这些机构当年确实资助了很多看起来就很科幻的研究项目。这些呢,就是Gordon研究电离层以及建设阿雷西博的背景。这个望远镜的特点呢,除了口径大,还有就是具备主动发射电磁波的能力,说白了,这个望远镜其实是一个雷达。望远镜最初由William Gordon在1958年提出,目的是通过散射效应研究地球高空电离层的密度和温度。通常来说频率10MHz以下,波长超过30米的长波电磁波会被电离层完全反射,这也是长波通讯的原理,但是长波通讯的距离太短。Gordon注意到地球以上数千公里的高空电离层对电磁波有散射效应,也许可以用来做远距离通讯。研究来,研究去,发现这种散射太弱了,没法进行实际应用。但是他突然灵机一动,这种散射没法用于通讯,但是可以用于研究电离层本身啊!于是Gordon在1958年下半年领导一个小组进行了相关的计算,结果表明300米口径的天线可以满足要求。这个工作整理了一份报告,提交给了军方,这也是阿雷西博望远镜最初的设计文档。就在报告提交之前的一个月,Kenneth Bowles做了一个实验,证实Gordon小组的计算基本正确,但是达到预期目标并不需要这么大的天线。然而Bowles的结果被Gordon小组以及决策机构有意无意的忽略了,之后所有的规划都是按照300米口径进行的。用现在的话讲,造这么大的望远镜完全是一次乌龙,但这是一个幸运的乌龙,300米口径使得望远镜获得了超高的灵敏度。如果按照Bowles正确的参数进行设计,如果只是完成电离层研究的既定目标,天线可以造的小得多,但是就永远不会有之后六十年阿雷西博望远镜一系列伟大的成就了。Bowles的研究差点把阿雷西博搅黄,这种事情其实之前还发生过一次。英国的Jodrell Bank天文台二战刚结束就建设了76米的全可动反射面天线,现在已经是世界文化遗产了。它的创立者Lovell在1941年提出一个天线方案来研究宇宙射线。同一时间一位科学家进行了计算,指出如果要做宇宙射线研究的话,天线的口径需要比之预计的大得多。幸运的是这项研究因为二战的原因被忽视了。Lovell回忆说,如果1941年天线筹备阶段就注意到这项研究的话,会认为建设76米的天线是天方夜谈,根本不会往下进行。幸亏这项研究被忽视了,于是Jodrell Bank天文台基于最初的小口径天线方案开工建设。二战之后科学家意识到这项计算是对的,既然项目已经开工,于是就继续进行,天线口径也调整为大得多的76米。这件事告诉我们,错误的计划并不一定是坏事。这件事让我想到了人生,岁数越大越觉得,一切都是命,每个人都有注定的命数,对于人生的规划都是徒劳的。望远镜最初的设计是一个抛物面,中央平台架设在主反射面以上150米的地方,接受装置可以前后移动7米。望远镜可以追踪以天顶为中心,周围2度左右的区域。由于地球的自转,望远镜的观测区域一直在变化。2度的观测范围刚好可以追踪雷达发射的电磁波到太阳距离再反射回来,这样可以研究金星,水星等内地行星,甚至太阳本身。设计方案提出来之后,不断有人建议增加望远镜的观测范围,因为那样的话科学产出会大得多。最终的方案是反射面采用球面设计,接收机的移动范围扩大,可观测天区扩展到天顶南北各20度。这样针对一个源的持续跟踪时间延长到了2.6个小时,这段时间内雷达发射的电磁波可以到达土星再返回地球被望远镜接收,这也是阿雷西博作为雷达的最长观测距离。阿雷西博最初确实被用作超级雷达。阿雷西博之前天文学家普遍认为水星已经潮汐锁定,即自转周期和公转周期相同,都是88天。潮汐锁定在行星系统中很常见,比如月球就经历了潮汐锁定,它的自转周期和围绕地球的公转周期一样,都是28天左右,所以月亮始终有一面对着地球,另外一面地球上的人永远都看不到。1965年阿雷西博对水星开展了雷达观测,发现它的自转周期是59天,并没有潮汐锁定。金星由于大气非常稠密,很难看到其真实地表。1967年阿雷西博的雷达观测发现金星的自转周期是245天,并且跟绕太阳的公转方向相反。所以在金星上太阳是从西边升起的。对金星和水星的观测精确测定了地球到太阳的距离,也就是一个天文单位的长度,这是用视差法测定恒星距离的基础,也是接下来测量近邻星系,遥远星系,乃至整个宇宙大小的基础。1974年,作为一台功率强大的发报机,阿雷西博向球状星团M13给假想中的地外文明发出了第一条信息。这条信息非常有名,被称作阿雷西博消息。这条消息由地外文明研究的先驱德雷克以及著名科学家科普作家卡尔萨根设计。有一系列01组成。如果外星人足够智慧的话,应该有能力破译这条信息。发送消息的时候,
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