再見了!阿雷西博天文台!

無線電天文學能給予我們不同於可見光的視角來認識這個宇宙,但無線電電波望遠鏡需要大上好幾個量級的口徑,才能夠獲得與可見光相仿的解析度。阿雷西博天文台是一座位於波多黎各的電波望遠鏡,口徑有三個足球場那麼長!這麼壯觀的建築能夠完成其實得利於當地的喀斯特地形。如此龐大的結構也使聚焦、接收器的技術與一般常見望遠鏡不同。除了學術上的貢獻以外,阿雷西博天文台還曾出現在電影場景裡、曾嘗試發送過訊息給可能的外星生命。這座偉大的望遠鏡在2020年因為結構損毀而除役,永遠闔上了這顆過去人類望向宇宙最大的電波之眼。相信這座望遠鏡的學術突破、建造經驗能帶給我們未來天文學觀測更穩健的發展。

圖片出處:SETI/ Arecibo [SETI]

撰文|許世穎

●阿雷西波天文台:山谷中的電波之眼

我們一般能以口徑大小來評估天文望遠鏡的解析度,口徑愈大,解析度愈好。舉例來說,一個鏡面口徑60公分的望遠鏡解析度就會比40公分的好。除此之外,觀測的波段也會有影響,波長愈長的波段,必須要用愈大口徑的望遠鏡才能有一樣的效果。同樣口徑大小的望遠鏡,拿去看可見光可能效果不錯,但拿來看紅外線就顯得不足。不同波段的光能帶給我們不同的資料,讓我們得以用不同的視野來了解我們的宇宙。無線電波的波長大約是毫米左右,比可見光大了10,000倍。一支拿來賞鳥、看演唱會的3公分口徑可見光望遠鏡得到的解析度,要靠30,000公分(也就是300公尺)才能夠在無線電波得到一樣的效果!但把望遠鏡蓋大不是一件簡單的事情,望遠鏡愈大,支撐結構就需要愈健壯,工程上就愈困難。為了在無線電波波段擁有更好、更清楚的天文相片,天文學家想盡了辦法來讓望遠鏡口徑變大,解決工程上的困難。

要提到最大的天文望遠鏡,阿雷西博天文台(Arecibo Observatory)絕對是榜上有名 ,這座望遠鏡的口徑長達305公尺!阿雷西博天文台位於波多黎各的阿雷西博,這個地方的地貌為喀斯特地形(又稱溶蝕地形,karst topography,見圖1),由於具腐蝕性的降雨以及容易被侵蝕的岩層,喀斯特地形千溝萬壑,起伏不定。科學家相中了這樣子的地貌,「既然這裡有著這麼多的大洞,不如就讓這天然的洞成為望遠鏡的支撐架吧!」於是一個蓋在谷裡、口徑305公尺、像一個巨大碗公的望遠鏡反射面就這樣就這樣誕生了。因為實在是太壯觀了,過去曾作為電影的場景,在電影「接觸未來」、「007黃金眼」當中就有它的樣貌,因為這個原因,或許阿雷西博是最多人看過的天文望遠鏡之一呢![2][3]

圖1:阿雷西博的喀斯特地形。圖片來源:U.S. Geological Survey/Aero Service Corporation [4]

●反射面與接收器:山不轉路轉

一般的望遠鏡反射面是拋物面,然而阿雷西博卻是球形面,這之間的差異就在於「指向」。拋物面有著固定的焦點位置,能將來自遠方同一個方向的光線反射到一個焦點上、被偵測器接收,想要接收哪個方向來的光,就將反射面朝向那裡。然而阿雷西博天文台的反射面卻覆蓋整個山谷、是沒辦法轉的!山不轉路轉,轉不了反射面就讓轉接收器自己轉。阿雷西博的接收器不像一般常見天線是跟著反射面轉動,而是掛載在上方的平台,這個平台可以調整接收器的方位角以及仰角,讓接收器能收集不同方向反射來的光。不要小看這個懸吊在空中的接收器平台,它的重量有820公噸!球形反射面反射的光不會匯聚在一個焦點上,而是一條線。因此平台上初期掛載的接收器是一根長條的線形偵測器,可以將不同位置接收到的光收集起來。後期則多掛了一個像圓罩的反射面,藉由多次反射來修正這個球面像差。(見圖2)

圖2:上方懸吊的接收器。左下方長條狀的是線形偵測器,右下方半圓罩則是格里反射鏡。圖片來源:Mariordo (Mario Roberto Durán Ortiz) [3]

●給外星人的電報及其他學術貢獻

阿雷西博天文太最著名的一項事蹟是在1974年,曾經發了一封「電報」到M13球狀星團,嘗試與可能的外星生命聯絡。M13球狀星團的恆星分布均勻,是最有可能有外星生命存在的地方。這封電報的訊息是由一連串的0和1組成,將這組訊息以適當的方式排列的話,可以從中看出:2進位的數字1到10、DNA組成元素(氫、碳、氮、氧、磷)、核苷酸的組成、DNA的雙螺旋結構、人類的資訊(約略身高、樣貌、人口數)、太陽系資訊(太陽、當時的九大行星),甚至還放上了阿雷西博天文台的樣貌(如圖3)。所以某角度來說,阿雷西博望遠鏡可能還是最多外星人看過的望遠鏡......

除了阿雷西博訊息以外,其他天文學術方面的貢獻也非常多。包括1968年Lovelace團隊關測到蟹狀星雲脈衝星(Crab Pulsar)的脈衝週期、進而指出內部存在中子星 [5]。 1974年 Hulse及Taylor發現了第一顆脈衝雙星(Hulse–Taylor脈衝雙星),這是由脈衝星與中子星互相繞轉而成的雙星系統,也讓發現者獲得了諾貝爾獎 [6]。1990年Wolszczan針對首次發現的脈衝星PSR B1257+12資料研究後,更是發現了觀測史上第一批系外行星 [7]!

圖3;阿雷西博訊息。由0和1所組成的矩陣。顏色只是為了方便辨識。圖片來源:Arne Nordmann [3]
 

●除役與夥伴

這麼大的一座天文台,特別受到天氣的考驗。2017年,接收器上的線形天線就曾被颶風吹落,將底下的反射面砸出一個洞。到2020年8月、11月,各有一條纜繩損毀,導致整體架構的不穩定。在經過多方考慮後,由於潛在的工安危險決定放棄維修,讓這個曾是地球上最大的電波之眼走入歷史。為了目標是在除役後保有一定的基礎架構,希望在未來還能有其他科學、教育的用途。然而還沒安排好除役規劃,這個望遠鏡上方的接受器平台就在12月1日墜落,讓整體架構徹底損毀 [2](如圖4,損毀影片可見 [8] 影片1)。

 

影片1:阿雷西博天文台上方接收器平台損毀過程。影片來源:Courtesy of the Arecibo Observatory, a U.S. National Science Foundation facility [8]

圖4:12月1日,接收器平台掉落後,讓阿雷西博望遠鏡大程度的毀損。圖片來源: American Association for the Advancement of Science [4]

阿雷西博天文台服役的最後幾年並不孤單,前面說到這麼巨大壯觀反射面的建造得利於一個得天獨厚的地形:喀斯特地形。說到這種地貌,想必很多人會想到另一個著名的喀斯特地形區:中國大陸的雲貴高原。在貴州省平塘縣克度鎮就蓋了一個更大的「500米口徑球面無線電望遠鏡 (Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope,簡稱FAST)」,別名「中國天眼」,在2016年正式啟用,成為最大的單面口徑球面無線電望遠鏡 [9]。

電波天文學開啟現代天文學家另一個欣賞宇宙的視窗。利用地形的優勢,讓我們得以用更安全的方法、更穩健的構造、更低廉的價格來建造天文望遠鏡。也因為反射面位置固定,接收器的設計也需要跟著調整。在帶給我們許多精彩的科學進展、甚至是電影場景後,阿雷西博天文台結束了57年的任務、停役長眠了。但相信這個偉大建築所留下來的經驗、資料能讓後續電波天文學的發展更加踏實。

 

參考資料:

  1. [1] SETI/Arecibo
  2. [2] Arecibo Observatory Telescope
  3. [3] wiki/Arecibo Telescope
  4. [4] ScienceBase Catalog/U.S. Geological Survey
  5. [5] Richard V. E. Lovelace. "Discovery of the Period of the Crab Nebula Pulsar", Cornell University
  6. [6] Hulse, R. A. and Taylor, J. H., ‘“Discovery of a pulsar in a binary system.”, Astrophysical Journal, 1975
  7. [7] Wolszczan, A., “Confirmation of Earth-Mass Planets Orbiting the Millisecond Pulsar PSR B1257+12”, Science, 1994
  8. [8] Youtube/Dramatic Footage of the Collapse of Arecibo Observatory’s 305-Meter Telescope
  9. [9] wiki/500米口徑球面無線電望遠鏡

 

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