美国的塌了，中国的可还行？

Mary

当地时间 12 月 1 日，美国 " 天眼 "、人类 20 世纪十大科技工程之首——阿雷西博射电望远镜（Arecibo Radio Telescope）塌了。

仪器平台坍塌后的阿雷西博射电望远镜。图源：科技日报

它位于波多黎各的阿雷西博，口径达 305 米，由史丹佛国际研究中心、美国国家科学基金会（National Science Foundation，简称 NSF）与康奈尔大学管理。它曾经是世界上最大的单面口径射电望远镜，直到 2016 年被中国的 500 米口径球面射电望远镜（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope，简称 FAST）取代，退居第二。

什么是射电望远镜？

阿雷西博射电望远镜为什么会坍塌？

全球科学界将遭受何种损失？

中国的 FAST 将发挥什么作用？

文 | 谢芳 瞭望智库观察员

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多灾多难

对阿雷西博射电望远镜而言，2020 年多灾多难。

8 月，一条辅助钢缆断裂，把望远镜的边缘面板撕开了一个 100 英尺（约 30 米）的洞，并且损坏了上方的圆顶，自此，它停止了正常运作。

随后阿雷西博天文台着手维修。维修的第一阶段就需要 1000 多万美元（约合人民币 6526 万元）的经费支持，不止如此，事故调查中还发现，望远镜近半数支撑钢缆都有滑脱的迹象。

2020 年 8 月，阿雷西博上一根钢缆断裂后的情景。图源：物理学家组织网

11 月 6 日，就在工程师们研究如何修复这次损坏，并评估整体结构的完整性时，阿雷西博的一条主钢缆断裂了，对望远镜底部反射面的中央部分造成了更严重的破坏，损失可能高达 1200 万美元（折合人民币约 7832 万元）。

剩下的 11 根主钢缆也变得岌岌可危。有专家认为，8 月辅助钢缆的故障使得主钢缆承受了更大的载荷，最终断裂。

根据《科学美国人》报道，两根支撑结构的钢缆断裂后，工程师一直没有找到一种安全的维修方法。

11 月 19 日，NSF 天文科学部负责人拉尔夫 · 高姆（Ralph Gaume）表示，试图稳定或测试钢缆，都可能会加速灾难性故障的发生。考虑到科研人员的安全等问题，NSF 决定关闭阿雷西博射电望远镜，并计划拆除。

然而，还没等到 NSF 拆除，12 月 1 日早上 8 点，望远镜的 3 个支撑塔和支撑钢缆全部断裂。这次的损毁更加彻底——距离底部反射面约 137 米、重约 900 吨的仪器平台坠落，阿雷西博射电望远镜自行坍塌了。

重建阿雷西博望远镜需要大量资金，以及一个漫长的等待过程。

宾夕法尼亚大学教授亚历克斯 · 沃尔兹森（Alex Wolszczan）认为，虽然阿雷西博射电望远镜已经有 50 多年的历史，但仍然具有非常重要的地位，失去它将是对科学界的重大打击。

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意外的发现 ‍

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不同于我们常见的光学望远镜，射电望远镜不用玻璃镜片，它使用巨大的天线捕捉看不见、摸不着的无线电波。要了解阿雷西博射电望远镜，还要从 1930 年代一个意外发现的无线电波讲起。

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1931 年，美国新泽西州的贝尔实验室，负责搜索和鉴别电话干扰信号的央斯基（K.G.Jansky）在搜索长距离无线电通讯干扰时，在 14.6 米的波长上意外发现有一种每隔 23 小时 56 分 04 秒就出现最大值的无线电干扰。

经过一年多的测量和分析，央斯基在 1932 年发表的文章中断言：这是来自银河中心方向的射电辐射。

它具有诸多优点：能在各种不同的温度、密度和磁场等极端物流条件下产生；它的传播很少受星际气体和尘埃的阻碍；在后来的实践中还发现，对它的探测效率还易于随射电望远镜功能的增强而提高。

射电望远镜，正是通过分析所能接收到的射电辐射信息，全面揭示各类天体的位置、图像、运动及其随时变化的状况。

射电波研究天体的新纪元就此开启。

射电望远镜的首要功能指标是灵敏度，一般以所能测到的最弱射电辐射强度来度量；另外一个重要指标是空间分辨率，即能分辨所测射电辐射来自何方。由于射电辐射的波长很长，为了达到甚至超过光学观测的分辨率，射电望远镜的孔径或等效径必须很大。

从央斯基使用的长 30.5 米、高 3.66 米的旋转天线阵，到现在中国上海佘山 65 米口径射电望远镜（也称 " 天马望远镜 "）、抛物面天线直径达 76 米的英国曼洛弗尔射电望远镜、口径达到 100 米的德国埃费尔斯贝格射电望远镜、抛物面天线直径最长达 110 米的美国绿岸射电望远镜，都为人类认识宇宙做出了巨大贡献。

位于上海佘山脚下的 65 米口径射电望远镜，是目前亚洲最大的可转射电望远镜，在我国的嫦娥探月工程、火星探测等一系列重要的深空探测任务中都有它的身影。图源：孙自法 | 中新社

此后，随着射电技术的发展和提高，射电干涉仪，甚长基线干涉仪，综合孔径等新型的射电干涉技术愈发成熟，使科研工作者能更有效地从噪音中提取有用的信号、扩大观测覆盖范围、方便成像。

比如，位于美国新墨西哥州沙漠中的甚大阵射电望远镜（VLA），由 27 面口径为 25 米的射电天线组成，是世界上最大的综合孔径射电望远镜，能够观测到 160 公里以外、一个发射无线电信号的高尔夫球大小的物体。

美国甚大阵射电望远镜。图源：央视新闻

又如，位于澳大利亚的默奇森地区的平方公里阵列射电望远镜 ( ASKAP ) ，由 36 架直径为 12 米的碟形天线组成，这一区域没有其他无线电信号干扰，可以清楚地接收到来自宇宙的信号。

澳大利亚平方公里阵列射电望远镜。图源：央视新闻

它们是新一代射电望远镜的代表，在灵敏度、分辨率和观测波段上都大大超过了以往的望远镜。

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新一代的佼佼者

阿雷西博射电望远镜，则是新一代射电望远镜中的佼佼者，它的历史可以追溯到 20 世纪 50 年代后期。

彼时，美苏的冷战正进行得如火如荼，苏联率先成功发射第一颗人造卫星，让美国如坐针毡，于是，提高自身科技实力、防御苏联的美国国防部高级研究计划局应运而生。

【注：美国高级研究计划局（Advanced Research Projects Agency），简称 ARPA，1972 年改名为美国国防部高级研究计划局（Defense Advanced Research Projects Agency），简称 DARPA。】

阿雷西博射电望远镜正是该机构防御项目的一部分。不过，最初的构想是发展弹道导弹防御系统，建造雷达。

任务被交给康奈尔大学电子工程教授威廉 · 戈登（William E.Gordon），最终他选择了波多黎各中部一个石灰岩构成的喀斯特地形区，这里相对对称的碗形大坑可作为雷达底座，能大幅减少造价与技术难度。

【注：波多黎各全称为波多黎各自治邦，属于美国领土，但并不隶属于美国任何一个州，由国会直管，政区类别为自由联邦。波多黎各居民作为美国公民，他们没有美国总统选举的投票权，但有权选举一名无表决权的美国众议院专员。】

1960 年，阿雷西博射电望远镜开建，3 年后建成，开始运营。在此后的半个多世纪里，它一直是世界上最大的单孔径望远镜。它的主反射面是球面，最初的天线是金属丝网，最短只能工作在 50 厘米波段。

1972 年改建时，38778 块铝面板组成的高精度表面取代了旧的丝网，工作波段达到 5 厘米；1980 年以后，又进行了一次改建，把天线直径扩大到 366 米。

1997 年的改造使其观测波长范围扩展为 6 米到 3 厘米，可以观测到更多的分子谱线。几经升级，它拥有了更高的工作效率和更大的灵活性。

阿雷西博射电望远镜。图源：500 米口径球面射电望远镜与地方发展论坛

再看其工作原理。来自天体的射电波不能像抛物面那样聚焦到一个点上，而要采取比较复杂的改正镜或线性馈源的方法来收集能量。为了增加可观测的波段和提高灵敏度，最初采用长约 28 米的线性馈源的方法，后来改进为改正镜的方法。

一个三角形平台和可移动馈源臂悬挂在主反射面上空，平台下方悬挂着离主反射面 50.8 米的一个圆屋，在其中放置了两个反射面 ( 称之为格雷果里副反射面 ) ，分别是第二和第三反射面，直径分别为 21.9 米和 7.9 米，还有波长为 12.6 厘米、发射功率为百万瓦的雷达发射机和双偏振微波接收机。整体装置重达约 900 吨，由三座铁塔支撑着。

阿雷西博射电望远镜巨大的天线具有非常高的方向性，使无线电波聚集成非常小的辐射束发射出去，发射功率大大提高。无线电波碰上固体状物体后会被反射回来，但是回波的能量很小，这就需要灵敏度非常高的阿雷西博来接收，并获得被探测物的表面图像。

一般情况下，射到主反射面的天体射电波被反射到第二个反射面，然后再反射到第三反射面，最后到达接收机屋内的焦点上，不同的馈源连接在不同波段的接收机上，各个接收机装置在一个可转动的圆盘上，可以很容易把所需的接收机移到焦点处。

圆屋可以沿着曲线的臂上下运动，这个臂也可以旋转，其设计是为了防止恶劣天气对小反射面的伤害，也可以防止人为的电磁干扰。

基于这些特点，阿雷西博射电望远镜成了当时世界上最强大的雷达。

为了防止作为地基的石灰岩腐蚀，主反射面的下面一直保持着植被覆盖。图源：阿雷西博天文台

对比来看，美国格林班克和前面提到的德国埃费尔斯贝格，是可跟踪信号的射电望远镜，口径 100 米，灵敏度高、分辨本领强、覆盖天区广、跟踪灵活方便，但面对更弱的射电源时是不够用的。

而阿雷西博射电望远镜球面天线直径达到 305 米，接收面积比上述两台望远镜的天线要大约 10 倍，灵敏度提高约 1 个数量级，但其只能借助馈源的移动对约 20° 的天区范围进行扫描或跟踪，不能通过转动天线来对准不同天区的射电源并进行跟踪。

所以，多种多样的大型射电望远镜，共同发挥作用，遥望广袤又神秘的宇宙。

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何去何从？

自 1963 年 11 月 1 日投入运营后，阿雷西博射电望远镜就获得了来自 NSF 的财政支持和美国国家航空航天局（National Aeronautics andSpace Administration，简称 NASA）支持，并迎来数千位科学家前来使用，其 80% 的工作时间用于射电天文观测，15% 用于大气研究， 5% 用于雷达天文学研究。

作为人类 20 世纪十大科技工程之首，它成就斐然。

1962 年，阿雷西博重新测量出水星的自转周期为 59 天，而非此前认为的 88 天。

1974 年，泰勒 ( J.H.Taylor ) 和他的学生赫尔斯 ( R.A.Hulese ) 发现了第一个射电脉冲双星系统 PSR1913+16。泰勒利用阿雷西博射电望远镜进行了上千次观测，获得这颗脉冲星 20 年的轨道周期值，证明观测结果与广义相对论计算结果相符合，证实了引力波的存在。1993 年，两人据此相关研究，一起获得诺贝尔物理学奖。

1981 年，阿雷西博与格林班克组成雷达干涉仪，获得金星局部地区的高分辨率的地形图，这是第一幅金星表面的雷达图。

1982 年，阿雷西博发现了第一个毫秒脉冲星。这表明宇宙存在两类脉冲星，一类是毫秒脉冲星，几毫秒旋转一周，另一类是旋转较慢的脉冲星，每秒旋转一周。

1989 年 9 月，阿雷西博利用它的雷达模式对小行星 4769 Castalia 成像，这也是人类首次对小行星成像。

1991 年，天文学家沃斯赞和弗雷尔用阿雷西博发现毫秒脉冲星 PSR1257+12 的行星系统。这是天文学家首次发现的太阳系外的行星系统，是一次重大的突破。

此外，阿雷西博还曾以几百米的精确度为阿波罗登月船和海盗号确定在月球上最好的登陆地点，还发现一些可能威胁地球的近地小行星，并对它们进行监测。

不过，阿雷西博最引人注目的一项工程是搜索地外文明。

早在 1960 年，人类就开始了第一次有计划地搜索地外文明。当时，利用比较小的射电望远镜在 21 厘米波段，对 662 颗离地球较近的类太阳恒星进行监测，希望可以接收到地外文明发来的无线电波信号，但没有成功。此后，人类又利用阿雷西博对 100 光年以内的 800 多颗类太阳恒星进行监测，仍一无所获。

收不到，就主动出击。1974 年，阿雷西博向武仙座 M31 球状星团发电报。电报内容包含太阳系，氢、碳、氮、氧、磷五种重要元素，人类生命和人体形态等信息。电报使用二进制的系列脉冲书写，以每秒 10 个字的速度发出，以光速传播，到达目的地要 2400 年。假设地外文明收到后立即回电，我们也要在 4800 年以后才能收到。

阿雷西博向武仙座 M31 球状星团发送的电报内容。图片来源：都市快报

此外，阿雷西博射电望远镜还是著名的旅游景点，为波多黎各政府带来了不少收入。它的壮观外形，也曾出现在大银幕上，007 系列电影《黄金眼》《超时空接触》等电影都在此取过景。

007 系列电影《黄金眼》中的阿雷西博射电望远镜。图源：豆瓣

然而，它收到的财政支持却是一年少过一年。

2001 至 2006 年，NASA 对阿雷西博的财政支持逐渐减少，最终取消。2006 年，NSF 的报告指出应将望远镜的经费大幅减少，甚至在 2015 年表示将寻求望远镜的退役。

财政支持在减少，意外的损坏却在增加。

2010 年的几场飓风就曾引发工程师对阿雷西博射电望远镜稳定性的担忧。到了 2017 年，玛莉亚飓风直接导致望远镜 430 兆赫线路馈送断裂并掉到主镜盘上，损坏了接收盘上 38000 多块铝板中的约 30 块。

今年 1 月，一场地震袭击了阿雷西博；

8 月，热带风暴 " 伊萨亚斯 " ( Isaias ) 过境波多黎各，望远镜的一条支撑电缆突然断裂；

12 月 1 日，一场坍塌彻底终结了阿雷西博射电望远镜的运行。

不过，射电望远镜并不是阿雷西博天文台的全部。根据 NSF 发布的消息，一些小型科学项目仍然可以在阿雷西博天文台的其他设施内继续进行。

两个激光雷达设施仍会通过向大气层发射激光来研究大气现象；

天文台运营方正在与科技公司合作，对相关数据进行云端存储与分析；

NSF 还在探讨将天文台的资源用于教育目的的可能性。

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中国天眼

2016 年 9 月 25 日，我国的 FAST 建成运营，取代阿雷西博射电望远镜成为世界上最大的单口径射电望远镜，被誉为中国天眼。

国家天文台研究员张承民表示：

" ‘天眼之父’南仁东和许多成员曾多次去阿雷西博学习观摩。从结构上，‘天眼’有不少它的影子，但‘天眼’汲取经验并进行了创新改进。阿雷西博望远镜是 20 世纪产品，代表第三次工业革命的科技能力。中国天眼是 21 世纪产品，代表第四次工业革命的科技能力，展示了中国高科技领域的创新。"

坐落于贵州的中国天眼 FAST。图源：新华社

在这个大创新的背后，是中国科学家 22 年的艰苦奋斗。

1993 年，在日本东京举行的国际无线电科学联盟大会上，科学家们都希望在全球电波环境恶化到不可收拾前，能建造出新一代射电 " 大望远镜 "，以此寻求进一步认识宇宙，解答天文学难题。

当时，在国际天文界享有盛誉的南仁东刚刚回国工作，他力主中国独立建造射电 " 大望远镜 "。

单口径射电望远镜必须建设在低洼地方，云贵高原的喀斯特洼地进入了南仁东的视线。从 1994 年开始到 2005 年，南仁东走遍了 300 多个洼地，最终选中了贵州南部平塘县克度镇一个叫做 " 大窝凼 " 的地方。

在选址期间，南仁东也没有停下寻求技术合作和经费的脚步，他自己坐火车跑了很多科学院校，最后立项申请书上出现了 20 多个合作单位。他还设法参加国家会议，积极推销，" 大望远镜 " 慢慢有了名气。

2006 年立项建议书终于被提交，2011 年 3 月项目正式开始， 2016 年 9 月 25 日落成启用，中国终于拥有了世界上最大的单口径射电望远镜。

建成后的 FAST 比阿雷西博射电望远镜的综合性能提高约 10 倍，并将在未来的 20-30 年保持世界一流设备的地位。

这张拼版照片为 FAST 项目拼装第一块反射面板（左上，2015 年 8 月 2 日摄）、面板安装近半（右上，2015 年 12 月 16 日摄）、面板安装近八成（左下，2016 年 3 月 9 日摄）、面板安装即将完成（右下，2016 年 6 月 29 日摄）。图源：欧东衢 | 新华社

从下面的几组数据，我们可以窥见 " 中国天眼 " 的身形：

大——反射面由 4450 个反射单元构成，总面积为 25 万平方米，相当于 30 个标准足球场那么大。如果把它看成是一口盛满水的锅，容量够全世界每个人分到 4 瓶水。

巧—— 30 吨的馈源舱通过 6 根钢索控制，可以在 140 米高空、206 米的尺度范围内实时定位。

强——能看见更遥远暗弱的天体，它 1 分钟就能发现的星体，即使把坐标提供给百米口径的射电望远镜，对方也要 9 分钟才能看见。

精—— 500 米的尺度上测量角度精确到 8 角秒，10 毫米的定位精度要求最高做到了 3.8 毫米。

对于安全性问题，FAST 总工程师姜鹏表示，" 我们进行了可能是有史以来最系统、最大规模的索疲劳试验，经过近百次失败，终于研制出超高耐疲劳钢索，在 200 万次循环加载条件下可达 500MPa 应力幅，国际上尚无先例。"

FAST 工程经理严俊也表示，在建设阶段，FAST 获得了钢结构、自动化产业、机械工业、创新设计、测绘地理信息技术、电磁兼容研发、建设工程等 10 余个领域的国家大奖。

FAST 也确实不负众望。

2017 年 10 月 10 日，国家天文台收到了由 FAST 捕获的首批脉冲星信号，人类首次聆听到了分别来自 1.6 万光年和 4100 万光年外的脉冲星信号，这几乎是宇宙的边缘。这两个声音，让我国实现了一个零的突破，也使我国在射电天文学领域领先世界平均水平 30 年。

图为 FAST 捕获的首批脉冲星信号。图源：纪录片《南仁东 逐梦天眼》

工作中的南仁东。图源：纪录片《南仁东 逐梦天眼》

2020 年 1 月 11 日，FAST 通过国家验收，投入正式运行，截至 2020 年 11 月，它发现的脉冲星数量超过 240 颗。借助 " 中国天眼 " 超高的灵敏度，国家天文台已经将脉冲星的计时精度提升至世界原有水平的 50 倍左右，这将有可能使人类首次具备极低频的纳赫兹引力波的探测能力。

同时，FAST 还与天马望远镜成功实现联合观测，在国际甚长基线干涉测量中发挥重要作用。

回溯历史，自 1609 年伽利略利用自制的望远镜观察太空，发现了月球表面的高低不平，发现了土星光环，发现了太阳黑子等天体现象，再到阿雷西博射电望远镜的建成、哈勃太空望远镜的成功升空，以及 FAST 的投入使用，人类基于望远镜对宇宙的探索从未停止。

正如南仁东所说：人类之所以脱颖而出，从低等的生命演化成现在这样，出现了文明，就是他有一种对未知探索的精神。

目前，阿雷西博射电望远镜虽然坍塌了，但它以往的成就，依旧启迪着人类探索宇宙。今年 9 月，FAST 也启动了地外文明的搜索，未来我们将能倾听来自宇宙更深处的声音，观测宇宙更隐蔽的奥秘。

（实习生童诗铭对本文亦有贡献。）

参考文献：

1. 还是塌了！世界只剩中国 FAST 一只 " 天眼 "| 宋慈，微信公众号 " 科技日报 "，2020.12.2

2. 给外星人发信的那个望远镜，要被拆掉了 | 魏潇、李姗珊，微信公众号 " 科研圈 "，2020.11.20

3. 阿雷西博天文台简介 | 第十五届中国科协年会—— 500 米口径球面射电望远镜与地方发展论坛，2013.5.22

4. 因为两根钢缆，美最大射电望远镜将被迫 " 退役 "| 刘霞，微信公众号 " 科技日报 "，2020.11.22

5.wikipedia：AreciboObservatory

6.Threatto world's most powerful radio telescope means we may not hear ET|JacquiGoddard，Daily Telegraph，July 12，2008

7. 射电望远镜的发展 | 罗先汉，《科学》1994 年 04 期

8. 观天巨眼 400 年系列之十九 射电望远镜的诞生 | 温学诗，《太空探索》，2003 年 08 期

9. 望远镜和天文学：400 年的回顾与展望 | 苏定强，《物理》，2008 年 12 期

10. 观天巨眼 400 年系列之二十三 世界上口径最大的阿雷西博射电望远镜 | 吴鑫基，《太空探索》2004 年第 01 期

11. 从仰望星空到走向太空——纪念伽利略用天文望远镜进行天文观测 400 年 | 路甬祥，《天文学进展》，2010 年 01 期

12. 射电望远镜的发展和前景 | 吴盛殷、南仁东，《天文学进展》，1998 年 03 期

13. 中国又一世界之最！观天巨眼 FAST 明日完工 | 央视新闻，2016 年 7 月 2 日

14. 星辰大海，才是它的征途—— " 中国天眼 " 通过国家验收正式开放运行 | 齐健、王丽、董瑞丰，新华网，2020 年 1 月 13 日

15. 纪录片《南仁东 逐梦天眼》| 央视十套

16. 探访天文界的史诗之作：一口倾听宇宙的贵州巨锅 | 王天挺、Nabokov，《ELLEMEN 睿士》，2016.7.4