12月是各种年度盘点和榜单出炉的时间。阿雷西博射电望远镜(Arecibo)的退役无疑成为了2020年十大天文事件之一。提起阿雷西博望远镜，除了天文工作者和天文爱好者恐怕没有多少人知道。但是看过1995年《007之黄金眼》的人一定会记得泻水后逐渐暴露出的巨大天线反射面，006与007在脚手架上的追逐，以及悬空操作台向跌落在反射面上的006砸去的情节。这些惊心动魄的场景正是在阿雷西博望远镜拍摄的。

阿雷西博望远镜建在波多黎各，利用当地的喀斯特地形的碗形大坑作为底座，从而降低了成本和技术难度。它的口径为305米，是中国”天眼“落成前世界上最大的球面射电望远镜。阿雷西博望远镜因为它独特的结构设计和在射电天文领域取得的丰硕成果而久负盛名。12月1日令人遗憾的事情发生了，数跟钢缆断裂，重达900吨的操作平台和罗马圆顶从空中坠落，导致了阿雷西博的反射面大面积坍塌和两座吊塔的倒塌。经过一系列的评估，12月3日美国国家科学基金会(National Science Foundation, NSF)宣布了阿雷西博退役的消息。一代天文重器就以这样悲壮的方式结束了它璀璨的一生，在我们为阿雷西博扼腕叹息的时候，也来回顾一下它的历史吧。

射电天文学的兴起

射电望远镜不同于观测可见光的光学望远镜，它以无线电接收技术为观测手段，用于研究来自天体的波长为毫米到米级的电磁辐射。早在19世纪60年代麦克斯韦和普朗克等人就已经认识到太阳和恒星等天体的电磁辐射不仅限于可见光波段。但是真正探测到天体射电辐射却是在20世纪30年代。时任美国贝尔电话公司的工程师央斯基(Karl G. Jansky)发现了周期性出现的静电干扰信号，最终他锁定了信号的来源为银河系中心的人马座。为了纪念央斯基的发现，国际天文学联合会在1973年通过决议采用”央斯基“作为天体射电流密度的单位，并且纳入了国际物理单位系统。射电天文学的真正兴起则是在二次世界大战之后。战争期间得到迅猛发展的雷达技术以及战后大批的雷达军转民，为射电观测提供了良好的条件。也难怪，被称为20世纪60年代四大天文发现的类星体、脉冲星、星际分子和宇宙微波背景辐射无一例外的都是利用射电天文手段获得的。

阿雷西博望远镜的建造

阿雷西博望远镜建成于1963年。它最初的设计经费来自美国空军部(U.S. Air Force)和海军研究局(Office of Naval Research)，最终由高等研究计划局(Advanced Research Projects Agency, ARPA，后更名为美国国防部高级计划研究局(Defense Advanced Research Projects Agency)）出资，康纳尔大学(Cornell University)承建，美国空军部监管。它在落成之初被命名为阿雷西博电离层观测站(The Arecibo Ionospheric Observatory) ，用于研究电离层和射电天文。而它的出资方ARPA的主旨是研究和监测地球电离层，进而服务于弹道导弹防御系统。60年代末，ARPA开始缩减研究经费。1967年NSF从美国空军接手了阿雷西博的监管工作，并开始从军用向民用的转换。1971年阿雷西博更名为国家天文和电离层中心(National Astronomy and Ionospheric Center)。同年，NSF和美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration, NASA)签署了望远镜的升级改造备忘录，由NSF出资在原有的金属网构成的天线上铺设了38778块金属反射板，而NASA则出资增加了一套S波段的雷达设备。1997年阿雷西博迎来了第二次重大升级。其中包括增加了罗马圆顶和一个线性馈源。改造后的阿雷西博望远镜的观测波长范围扩大到了6米和3毫米。一个巨大的三角形操作平台和可移动悬臂悬挂在巨大反射面的上空，一个罗马圆顶固定在操作平台的下面用于放置接收机等设备。整个平台和罗马圆顶重达900吨，由18根钢缆连接固定在3座混凝土吊塔上。天体的射电辐射经由主反射面反射到罗马圆顶，由信号接收机记录，而后供天文学家分析和处理。

阿雷西博望远镜的操作平台和罗马圆顶（图片来源：UCF）

斐然成绩

阿雷西博望远镜作为世界上灵敏度最高的射电望远镜之一在长达半个多世纪的运行中成果斐然。更是创造了很多个”第一“。1974年美国物理学家拉塞尔·赫尔斯(Rusell A. Hulse) 和 约瑟夫·泰勒(Joseph H. Taylor) 利用阿雷西博发现了第一对脉冲双星，他二人也因为这一发现荣获了1993年的诺贝尔物理学奖。1981年，获取了第一张金星表面的雷达图。1992年发现了第一个太阳系外行星。2008年第一次在星系中发现了组成氨基酸所必须的甲胺和氰化氢分子。2016年，第一次发现了重复的快速射电暴。

阿雷西博不但在天体物理学的研究中贡献卓著，它还一直积极地参与地外文明的探索。1974年为了庆祝第一次重要升级改造的完成，阿雷西博向距离地球两万五千光年的球状星团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“。这一信息中包含二进制的数字1-10、DNA所包含的化学元素、核苷酸化学式、DNA分子结构、人类外形、太阳系成员和望远镜的波长和口径。1999年，阿雷西博成为了SETI@home项目的重要成员。SETI是搜寻外星智能(Search for Extra-terrestrial Intelligence)的缩写，由美国加州伯克利分校(University of California, Berkeley)的空间科学实验室主持。他们将阿雷西博望远镜采集的海量数据分成一个个小数据包，发送到互联网，每台安装了SETI@home程序的电脑都可以自动下载这些数据，在屏幕保护模式或后台模式下运行，利用电脑上多余的处理器资源参与数据分析和计算。2005年伯克利关闭了SETI@home的服务器。在项目运行的6年时间里共有226个国家和地区、超过500万的个人和团体参加到这个项目中，累计的CPU运算时间超过了224万年。遗憾的是我们至今还没有找到外星智慧生物存在的证据。

阿雷西博的衰落

任何事物的发展都有一个从辉煌到衰败的过程，阿雷西博望远镜也不例外。进入21世纪，由于地震和飓风等自然灾害的长期侵袭阿雷西博早已经伤痕累累。经费的不确定性更使得它的前景堪忧。2020年8月10日四号吊塔上一根支持操作平台的辅助钢缆滑脱，在主反射面上划开了一个长约30米的口子，同时对罗马圆顶造成了一定的损害。负责阿雷西博运行的中佛罗里达大学(University of Central Florida, UCF)对事故进行了及时的评估并制定了维修方案。不幸的是，新光缆还没有到货，11月6日，同一吊塔上的一条主钢缆又断裂了。这一次不但损毁了一部分反射面，还对其周围的钢缆造成了不同程度的损伤。19日，在谨慎评估后，NSF做出了关闭整个中心，并对望远镜进行可控拆除的决定。24日，巡航发现连接在四号塔上的其他钢缆外层也开始出现了裂缝。12月1日，先是四号吊塔的剩余钢缆不堪重负先后断裂。而后倾斜的操作平台导致8号和12号吊塔的钢缆相继断裂，整个操作平台和脚手架都坠落到了反射面上。最后4号和12号吊塔更是被拦腰扯断，滚落到山脚。12月3日，NSF召开新闻发布会，公布了阿雷西博坍塌的视频，并宣布其正式退役。

部分反射面已损毁，坍塌前的阿雷西博望远镜（图片来源：UCF）

后继者 - 中国”天眼” （FAST）

阿雷西博的退役无疑是天文界的重大损失，令人庆幸的是我们已经拥有了可以接替它工作的设备，这就是2016年9月建成的中国”天眼“，500米口径球面射电望远镜(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope, FAST)。FAST位于贵州省，同样是利用喀斯特地形建造的。落成后的FAST取代了阿雷西博成为了世界上最灵敏的射电望远镜，它的综合性能更是比阿雷西博提高了10倍。经过几年的调试，FAST在2020年1月通过了国家验收，正式投入运行。在试运行和正式运行的四年多时间里，它已经发现了一批脉冲星，还在帮助解决快速射电暴的产生机制方面做出了独有的贡献。我们有理由期待，FAST将会像它的前辈阿雷西博一样在射电天文领域取得傲人的成就。

FAST全景（图片来源：FAST工程）

关于作者

董晓怡，天体物理学博士。研究项目包括：利用多波段（从X射线到远红外）观测所得的图像和光谱数据，研究类星体和活动星系核与其寄主星系的演化之间的相互关系。包括近邻星系的质量、热光度和速度弥散与其中心超大质量黑洞的质量和吸积率的关系；以及极亮红外星系中恒星形成与星系中心类星体的各项特征参数的关系。利用SHAPELET方法实现图像分辨率优化，对已有星系图像进行拟合，或依据参数构建星系图像。利用多波段图像分析所得的测光数据，采用神经网络方法得到类星体和河外星系的红移值（距离）。利用星系的特征参数，采用神经网络方法对星系进行分类。