从诺贝尔奖到外星人探索：最具科幻级感望远镜的辉煌与终章

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当地时间2020年12月1日，位于波多黎各的“阿雷西博” (Arecibo) 射电望远镜轰然垮塌。但没有目击者，等到项目组成员看到时，这个直径305米的传奇望远镜的镜面已经寿终正寝：巨大的平台砸到了镜面上。

举世震惊。阿雷西博望远镜是世界上最具科幻感的望远镜。从1963年被建成，到2020年倒塌，它完成了多项壮举，涉及脉冲星、引力波、诺贝尔奖、太阳系外行星与外星人探索。

图：夜间的阿雷西博望远镜的平台与铁塔。照片拍摄于2020年。来源：

https://www.livescience.com/arecibo-observatory-radio-telescope-to-be-destroyed.html

阿雷西博望远镜的诞生

20世纪50年代，美国与苏联的冷战意外催生了众多天文项目，阿雷西博望远镜就是其中之一。为了确认洲际核导弹重新进入大气层时在电离层引起的真实效应，避免被假弹头欺骗，军方与科学界决定建设一个雷达-射电望远镜。

项目负责人考察了多个区域，最终选中了美属波多黎各的阿雷西博。这里的部分区域具有天然的喀斯特地貌：雨水长期冲刷、渗漏，形成一个个盆地，就像一口口锅。射电望远镜专家在那里选择了一口“锅”，铺设了天线阵，构成了一个巨大的球面天线，整体直径达到305米。

在天线上方，吊着一个巨大的平台，距离镜面底部150米。平台上最重要的设备是接收机和发射机，整个平台重达几百吨。为了吊住这么重的平台，工程师们在周围的山上建设了3座水泥塔，连了多条钢缆绳。这3个水泥塔的名称分别是塔4、塔8与塔12。

虽然铝板构成的天线是静止不动的，但平台上的接收机与发射机却是可以运动的。根据观测目标或者发射的靶子，工作人员可以将接收机与发射机移动到合适的位置，接收天体信号或者发出去后反射回来的信号。

整个项目从1960年开始建设，于1963年建成，阿雷西博望远镜从此诞生。此后一直到2016年，它都是世界上最大的单镜面射电望远镜。2016年，中国的500米射电望远镜（FAST，“天眼”），建成，称霸世界53年的阿雷西博望远镜成为世界第二。但阿雷西博望远镜有一个特点无法被超越：它既可以接收信号，还可以发射信号。

在建成之后的几十年内，天文学家一边用阿雷西博望远镜观测众多目标，一边升级它。比如，1973年，38778块穿孔的长方形铝板取代原来的天线阵，每块铝板的长与宽分别为2米与1米。1997年，工程师们在平台上加装了格里高利反射系统。最终，整个平台的质量达到820吨。

图：阿雷西博望远镜全景。来源：National Astronomy and Ionosphere Center, Cornell U., NSF

从1963年正式建成起，阿雷西博望远镜不负众望，得到众多成果。这些成果涉及太阳系内天体的研究、小行星防御、脉冲星、太阳系外行星、外星人探索等众多领域。

太阳系内天体研究：从探测到防御

阿雷西博望远镜不仅可以接收天体发出的信号，还可以发射信号并将反射回来的信号接收。这个特长使得它可以得到大量太阳系内天体的特征。

早在1964年，Gordon Pettengill的小组就利用阿雷西博望远镜测量了水星的自转周期，发现它的数值是59天，而不是此前认为的88天。

1980年，天文学家用阿雷西博望远镜向恩克彗星发射了信号并接收到回波。

1989年，阿雷西博望远镜向小行星“4769 Castalia”发射信号，根据接收到的回波，天文学家确定了这个小行星的形状。这也是人类历史上首次对小行星直接成像。

1994年，John Harmon使用阿雷西博望远镜，画出了水星两极区域的冰的分布。

除了这些科学研究之外，阿雷西博望远镜还可以通过发射信号、接收回波的方式发现那些可能威胁到地球的小行星并提供预警，从而成为地球防御计划的成员之一。

从脉冲星、引力波到诺贝尔奖

1968年，当时还在康奈尔大学读研究生的Richard Lovelace用阿雷西博望远镜的数据确认了蟹状星云中心的脉冲星的周期——33毫秒，进一步确认了脉冲星的存在性。蟹状星云是一颗超新星爆发后喷发出的物质扩散形成的星云。1054年，中国、日本等国的天文学家观测并记载了这颗超新星。

图：哈勃空间望远镜拍摄的蟹状星云的可见光图像，由24张图拼接而成。图中区域的边长约为12光年。来源: NASA, ESA and Allison Loll/Jeff Hester，https://www.spacetelescope.org/images/ann0820/ 

大质量恒星爆炸后，大部分会在中心留下中子星，它们几乎完全由中子构成，半径只有10千米左右，但质量却比太阳大一些。中子星高速旋转，同时两极发出辐射。如果中子星发出的辐射周期性地扫过地球，产生的信号就形成一个个脉冲，天文学家就称这类中子星为脉冲星。

1974年，Joseph Taylor与其指导的研究生Russell Hulse在使用阿雷西博望远镜搜寻脉冲星的过程中，发现了由两个脉冲星构成的双脉冲星系统。他们在此后的观测中发现这对脉冲星在互相靠近，用爱因斯坦的引力波理论，就可以解释这个现象。这个发现间接证明引力波存在，二人因此于1993年获得诺贝尔物理学奖。 

图：Taylor与Hulse发现的脉冲双星的轨道周期从1975年到2005年的累计变化情况。图中的点为观测计算数据，线为爱因斯坦广义相对论计算得到的曲线。二者高度吻合，证明了爱因斯坦的理论，也间接证实了这个系统在发射引力波。数据来源：J. M. Weisberg and J. H. Taylor, Relativistic Binary Pulsar B1913+16: Thirty Years of Observations and Analysis, July 2004.图来源：https://commons.m.wikimedia.org/wiki/File:PSR_B1913%2B16_period_shift_graph.svg#

1982年，Donald Backer等人发现了一颗自转周期仅为1.56毫秒。这是人类发现的第一颗毫秒级脉冲星。直到2005年，天文学家才发现转得更快的脉冲星。 

从太阳系外的行星到外星人

1994年，Aleksander Wolszczan发表论文，宣布发现了围绕着射电脉冲星的一颗行星，它的质量只有月亮那么大。这是人类发现的第一颗太阳系外的行星，从此开启了“系外行星”研究的壮丽篇章。2019年的诺贝尔物理学奖颁发给在1995年发现“围绕类太阳恒星的系外行星”的两位天文学家，而没有让Wolszczan分享，是很可惜的。

早在第一颗系外行星被发现之前几百年，很多人都猜想宇宙中的那些恒星有类似于地球的行星围绕着它们转。甚至有人在此基础上提出：太阳系外的行星上也可能产生生命并可能进化为具有高级智慧的生命——用人话说就是：宇宙中可能存在外星人。

1974年11月16日，阿雷西博望远镜的科学家们干了一件至今还有争议的大事：他们用阿雷西博望远镜向球状星团M13发射了信号，希望能够被那里可能存在的外星人接收到。

图：哈勃空间望远镜拍摄的球状星团M13的核心区域的可见光与红外线合成图像。M13是梅西耶星云星团表中的第13号天体，包含数十万颗恒星，直径大约150光年，图中的核心区域的直径约为26光年。来源: NASA, ESA, and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA), https://www.spacetelescope.org/images/opo0840a/

这就是著名的“阿雷西博消息”。阿雷西博消息由著名的Frank Drake设计，在更著名的卡尔·萨根与其他人的帮助下画出。这个消息只有1679比特的信息，给出了阿拉伯数字、构成人类DNA的化学元素的信息、DNA双螺旋结构、人类特征、太阳与当时认定的九大行星以及阿雷西博望远镜自身的图像。

人类至今未收到回音，也不可能在现在收到那里的回音：M13与地球的距离达到25000光年，阿雷西博望远镜发出的信号要用25000年才可以到那里，即使那里可能有的外星人不考虑要不要回答，立即回复，起信号也还要再用25000年才可以到达地球。换句话说，阿雷西博望远镜需要向天再借五万年，才有可能接收到回音。

图：阿雷西博望远镜向M13发出的消息。图中最上方白色点表示阿拉伯数字1到10；下方的紫色表示构成脱氧核糖核酸 (DNA) 的氢、碳、氮、氧与磷的原子数；绿色表示构成DNA的核酸化学成分；下面的白色表示人类DNA的数目；蓝色螺旋形状表示DNA的双螺旋解构；下方红色表示人，左侧蓝白表示人类的高度与宽度，右边白色表示人类；下方黄色表示太阳系中的太阳与当时认定的九大行星，其中第三个行星比其他的高一点，表示这是发射出信号的地球；下方粉红色、白色与蓝色为阿雷西博望远镜的大致形状。图与原文来源：https://en.m.wikipedia.org/wiki/Arecibo_message，此处直接翻译其中的文字说明。

最近一些年，阿雷西博望远镜成为“搜寻外星智慧” (SETI) 项目的成员之一。不过，“出师未捷身先死，长使英雄泪满襟。”

危机、垂危与消逝

就在阿雷西博望远镜一路高歌猛进的同时，危机也渐渐浮现。这些危机可以分为三类：经费危机、升级危机与自然灾害危机。

首先，NASA从2001年就开始削减行星雷达计划方面的经费，直到2006年完全取消资助。更严重的是，为阿雷西博望远镜持续提供经费的美国国家自然科学基金委 (NSF) 也在不断降低经费资助。2007年，阿雷西博望远镜得到的资助约为1千万美元，到2011年，得到的资助仅为400万美元。而且，NSF还决定，如果没有其他经费来源，那么就可能关闭阿雷西博望远镜。

在一次升级过程中，阿雷西博望远镜平台的总重量增大，超过了钢缆的承受极限，为此后钢缆的陆续断裂埋下了巨大的隐患。

自然灾害成为压死阿雷西博望远镜的最后几根稻草。波多黎各是大西洋上面的一个岛屿，经常会被各种飓风（我们这里一般称之为“台风”）光临。比如，2017年9月21日，玛利亚飓风吹坏了一台仪器，后者掉落，砸坏了大约30片铝板。2019年的一次地震，进一步加重了阿雷西博望远镜的病情。

图：2019年拍摄的阿雷西博望远镜平台局部区域近景。上方的三角平台为固定式平台，下方为可转动的方位臂。右边为格里高利反射镜，左边为29米长的430兆赫兹仪器的残留物，这个仪器在2017年被飓风吹落，仅剩下图中的残留棒状物。来源：Mariordo (Mario Roberto Durán Ortiz)

2020年8月初，一个新的飓风过境，阿雷西博望远镜因此关闭。飓风过境后不久，阿雷西博望远镜重新开启。很快，支撑辅助平台的塔4上的一条钢缆断裂，像一条鞭子抽在镜面上，打出一条30米长的伤口。至今人们无法确定是不是这个飓风导致钢缆断裂。

项目组决定替换一根新的钢缆。不幸的是，新钢缆还没有换上去，塔4上面的两根主钢缆中的一根于2020年11月7日断裂，打碎了部分镜面。项目组评估后，认定人们无法安全地维修阿雷西博望远镜，决定放弃治疗，择日拆除它。

就在相关部门计划拆除阿雷西博望远镜的时候，塔4上面的另外一根钢缆断裂，整个平台摔到镜面上，阿雷西博望远镜走向终章。

图：2020年12月1日，阿雷西博望远镜正式倒塌后的遗迹。可以看到，平台掉落在镜面上。来源：https://www.sciencemag.org/news/2020/12/arecibo-telescope-collapses-ending-57-year-run

失去了什么？

阿雷西博望远镜的悲剧看似偶然，但其实也是一个必然。过去几十年来，人类建设了许多望远镜，其中一部分可以分别取代阿雷西博望远镜的一些功能，这使得阿雷西博望远镜的重要性逐渐降低，失去了优先级。

比如，行星防御方面，ATLAS、全景巡天望远镜都可以完成；行星探测方面，最近一些年升空的多个行星探测器可以近距离飞掠甚至环绕众多行星，进行近距离观测；小行星与彗星观测方面，一些探测器已经实现了小行星表面挖土的壮举；射电探测方面，一些射电干涉阵望远镜可以达到更好的观测效果。阿雷西博望远镜的基本盘就这样被鲸吞蚕食，最终导致决策层视之为鸡肋。

但上面的分析依然过于功利。阿雷西博望远镜的功能虽然可以被其他望远镜逐渐替代，但其象征意义却是不可替代的。它是最具科幻感的望远镜，也是获得众多战果的老将，它本应该有一个体面的终章——比如被建设为一个参观景点。

上世纪80年代就停止观测的威尔逊天文台就是一个好的样板。1923年，天文学家哈勃在这里用2.54米的光学望远镜证明仙女座星云其实是银河系外的另一个星系，从而开辟了星系天文学。1929年，哈勃在这里用同一个望远镜发现星系退行的速度与距离成正比，从而证明宇宙在膨胀。在停止观测之后，威尔逊天文台成为一个景点，里面的望远镜成为文物，吸引了许多游客前往参观。

但NSF没有给阿雷西博望远镜这样的待遇。与阿雷西博望远镜一起消逝的是它所具有的科幻象征与终极浪漫：有多部电影在这里拍摄，如《007黄金眼》(Golden Eye)、科幻电影《超时空接触》(Contact) 、《X-档案》(X-Files) 等。

图：科幻电影《超时空接触》 (Contact) 的场景之一，后面是阿雷西博望远镜的平台。来源：https://musingsofamiddleagedgeek.blog/2017/09/09/contact-is-still-okay-to-go-20-years-later/ 

由于美国现在是阿塔卡拉大型毫米与亚毫米射电望远镜阵列 (ALMA) 的三大股东之一，而且还有多个其他射电项目，它在射电天文方面的领先地位不会因为阿雷西博望远镜的消逝而被动摇。

受损失的是那些热爱阿雷西博望远镜的人，特别是为阿雷西博望远镜的建设、运行与升级而付出心血的几代天文学家与工程师、那些使用过阿雷西博望远镜数据并心怀感恩的更多天文学家和喜欢阿雷西博望远镜的那些普通人。

阿雷西博望远镜的消逝，不仅仅是简单的仪器之死，而更像一个文物被毁，一个象征被毁。

安息吧，阿雷西博望远镜。

编辑：王茹茹

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文章作者王善钦，2018年于南京大学获得天文学博士学位，2016年至2018年访问加州大学伯克利分校天文系。主要研究超新星、千新星等爆发现象，至今为止在ApJ, MNRAS上发表22篇科研论文。业余也研究天文学史与物理学史。

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