阿雷西博天文台 (世界第二大单面口径射电望远镜)

阿雷西博射电望远镜(英文:Arecibo Radio Telescope),正式名称是阿雷西博天文台(英文:Arecibo Observatory),由史丹佛国际研究中心、美国国家科学基金会与康奈尔大学管理。是世界上第二大的单面口径射电望远镜。该望远镜位于波多黎各的阿雷西博(又名阿雷西沃),直径达305米。阿雷西博望远镜是固定望远镜,不能转动,只能通过改变天线馈源的位置扫描天空中的一个带状区域。2020年12月1日,继两次严重电缆事故后,阿雷西博望远镜悬挂的接收设备平台当天坠落并砸毁了望远镜反射盘(天线)表面,目前无人伤亡,但望远镜很可能已不能再使用,重建是目前最可行的方法之一。

正式名称
阿雷西博天文台
中文名称
阿雷西博射电望远镜、阿雷西博望远镜
外文名称
Arecibo Radio Telescope
直径
305米(后扩建为350米)
管理单位
康奈尔大学
类型
单面口径射电望远镜
位置
美国海外属地波多黎各
退役时间
2020年11月19日
坍塌时间
2020年12月1日

1名称来源

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阿雷西博信息阿雷西博信息

1974年为庆祝改造完成,阿雷西博望远镜向距离地球25,000光年的球状星团M13发送了一串由1679个二进制数字组成的信号,称为“阿雷西博信息”。

如果该信息被地外智慧生命所接收,会读到如右图所示的信息,从上到下依次为:

用二进制表示的1-10十个数字;

DNA所包含的化学元素序号;

核苷酸的化学式;

DNA分子的双螺旋结构;

人的外形;

太阳系成员的简单信息;

望远镜的口径和波长。

阿雷西博望远镜向球状星团M13发送信息的原因是其中的恒星分布比较密集,被地外智慧生命接收的可能性较大。阿雷西博射电望远镜因其壮观的外形而受到影视作品的青睐。007系列《黄金眼》和电影《接触》的部分场景是在这里拍摄的。

2主要应用

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为了观测遥远的天体,天文学家必须要研制能检测出极其微弱的天体射电信号的望远镜。全世界所有的射电望远镜在60年中所收集到所有天体射电源的能量仅仅相当于几个雨滴撞击地面所释放的能量。德国埃费尔斯贝格和美国格林班克的两台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,堪称望远镜中的精品。但是,要观测更弱的射电源,还显不足。美国305米口径的阿雷西博射电望远镜的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,成为当今最强大的单天线射电望远镜。然而,由于它覆盖的天区有限,其他大型射电望远镜仍然起着非常重要的作用。

3科学探测

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为了探测月球、小行星、彗星、行星及其卫星,人们为其配备了一部波长为126厘米,发射功率为百万瓦的发射机和双偏振微波接收机。从接收到的目标反射回来的信号回波,可以获得被探测物的表面的图像。雷达探测的研究成果很广泛,也很显赫:测量出水星的自转和北极附近的“水冰”的环状结构;与格林班克100米射电望远镜组成雷达干涉仪获得金星局部地区的高分辨率的地形图;以几百英尺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;发现两个离地球很近的双小行星系,阿雷西博雷达还发现一些对可能威胁地球的近地小行星,并对它们进行监测。

1959年美国康内尔大学的天文学家柯康尼和毛里森在英国《自然》杂志发表了一篇先驱性的论文中提出,利用现有的设备,在1420兆赫频率附近搜寻地外文明的建议,得到了强烈的反映。1960年开始了人类历史上第一次有计划地搜寻地外文明的奥兹玛计划以及第二期奥兹玛计划,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,希图接收到地外文明发来的无线电波信号,没有成功。这不得不在以后的后来的“高分辨率微波巡视”计划中使用最大的阿雷西博射电望远镜,对100光年以内的800多颗类太阳恒星进行监测,结果还是一无所获。为了主动与地外文明联系,1974年用阿雷西博雷达曾向武仙座M31球状星团发电报,告诉“武仙座”的智能生物,关于太阳系,氢、碳、氮、氧、磷五种重要元素,人类生命、人体形状和高度、地球上的人口等信息。电报是用是二进制的系列脉冲写的,以每秒10个字的速度发出,它以光速传播,达到目的地要2400年,如果收到后立即给我们回电,地球人要在4800年以后才能收到。

4结构建造

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研制阿雷西博雷达望远镜是康乃尔大学的电子工程教授WilliamE.Gordon为研究电离层提出的,因此最初的名称是阿雷西博电离层观测站。然而这个望远镜却在射电天文学和雷达天文学上发挥了更加重要的作用。不久,便改称国家天文和电离层中心(NAIC)。阿雷西博射电望远镜80%的工作时间用于射电天文观测,大气研究占15%,剩下的5%用于雷达天文学的研究。世界上最灵敏的射电望远镜和雷达,建在波多黎各的阿雷西博望远镜利用了石灰岩构成喀斯特地形,用其中的尺度合适、比较对称的碗形大坑作为底座,减少了造价和技术难度。这个射电望远镜于1963年建造,主反射面是球面,原来的天线是金属网,最短只能工作在50厘米波段。1972~1974年改建,由38778块金属板拼接而成,使工作波段达到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年的改造使观测频率范围扩展为波长6米到3厘米,使望远镜可以观测到更多的分子谱线。球面天线直径305米,深508米,由固定在石灰岩中的钢索网支撑。固定在地面上的天线可以做得很大,其缺陷是不能通过转动天线来对准处在不同天区的射电源和进行跟踪。球面天线与抛物面天线不同,没有主光轴,可以接收来自较大角度范围的天体射电波,借助馈源的移动可以在相当大的天区范围(约20°)扫描或跟踪。来自天体的射电波不能像抛物面那样聚集到一个点上,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。

一个重达500吨的三角形平台和可移动馈源臂悬挂在主反射面上空,由连在三座高达100米铁塔的18根钢索支撑着。平台下方悬挂着离主反射面508米的一个圆屋,圆屋重75吨,直径24米,在其中放置了两个反射面(称之为格雷果里副反射面)、雷达发射机和微波接收机。这两个反射面分别是第二和第三反射面,其直径分别为219米和79米。从图6可以看出,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。圆屋的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。

5观测发现

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阿雷西博观测站于1963年11月1日正式开幕,从那以后,有几千位科学家使用了它,也迎来了各种年龄各种职业的参观者。电影明星和好来坞电影制片人也常常光顾这里,拍摄了好几部不同题材的电影。阿雷西博射电望远镜主要的研究对象是类星体、脉冲星以及处在宇宙边缘的其它射电源。最激动人心的观测成果是1974年泰勒和赫尔斯发现第一个射电脉冲双星系统PSR191316。这是一个双中子星系统,轨道周期为7.75小时。根据广义相对论理论推算,这个双星系统的引力辐射十分强。引力辐射将导致双星系统轨道周期的明显变化。泰勒教授利用阿雷西博射电望远镜进行上千次的观测,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符合得很好,终于证实了引力波的存在。泰勒和赫尔斯一起荣获1993年诺贝尔物理学奖,这也成为阿雷西博射电望远镜的骄傲。

1991年,天文学家沃斯赞和弗雷尔用这个望远镜发现毫秒脉冲星PSR125712的行星系统,又一次轰动科学界。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。太阳系空间探测和地外文明的搜索,射电望远镜是借助雷达技术发展起来的,而雷达后来也成为直接探测天体的一种手段,发展成一门新的学科——雷达天文学。阿雷西博射电望远镜配备了一台强大的无线电发射机。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,定向发射可以使发射功率大大提高。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,需要灵敏度非常高的射电望远镜来接收。正是由于这个望远镜的特点,使其当仁不让地成为世界上最强大的雷达。

6故障事故

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阿雷西博天文台坍塌阿雷西博天文台坍塌

自2017年来,阿雷西博望远镜接连“受伤”。当年,飓风玛莉亚带来的强风导致430兆赫线路馈送断裂并掉到主镜盘上,损坏了接收盘面上38000块铝板中的约30块。由于阿雷西博的观测资料,主要依赖于位于圆顶中的馈送和接收器传送,而不使用线路馈送,总体而言,玛丽亚造成的伤害很小。

但2020年阿雷西博受到的两次损害,却堪称严重。8月,热带风暴“伊萨亚斯”(Isaias)过境波多黎各,造成一根辅助电缆脱线,并在接收盘面上开了一道约30米长的口子,对望远镜的运作造成了很大的影响。

但就在工程师们即将展开修复时,第二根主电缆又于11月6日掉落。本来,工程团队预估,望远镜的结构能够继续承重,但新事故表明他们预估错误,可能危及修复人员的生命。因此国家科学基金会决定终止修复,并于11月19日宣布退役射电望远镜退役并拆除。

随后,就是12月1日早上8点左右发生的坍塌事故。曾在阿雷西博天文台工作了26年的乔纳森·弗里德曼(Jonathan Friedman)向美联社形容了坍塌时的场景:“听起来像隆隆声。我知道那是什么,我在尖叫。就我个人而言,我失去了控制......我无法用语言来表达。这是一种非常深刻、可怕的感觉。”

2020年12月3日,媒体报道:美国国家科学基金会(NSF)确认,阿雷西博射电望远镜的平台一夜之间坍塌,没有人员伤亡报告。据报道,当时三座吊塔上的残余钢缆无法支撑重约900吨的仪器平台,导致整个平台坠落在直径为305米的反射面板上,至此阿雷西博彻底结束了观测寿命。

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阿雷西博天文台 图册
  • 浏览次数: 369 次
  • 更新时间:2020-12-15
  • 创建者:千里不留行
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