科技改變生活 · 科技引領未來
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作者：湯振凡&汪詰讓NASA及全世界刮目相看1969年7月21日，一場罕見的暴風襲擊了澳大利亞東南部的小鎮帕克斯。這里已經很久沒有下雨。110千米/小時的強風卷起了地面干燥的沙塵，形成了遮天蔽日的沙塵暴，把正午時分的帕克斯鎮籠罩得如同黑夜一
作者：湯振凡 & 汪詰
讓 NASA 及全世界刮目相看
1969 年 7 月 21 日，一場罕見的暴風襲擊了澳大利亞東南部的小鎮帕克斯。這里已經很久沒有下雨。110 千米/小時的強風卷起了地面干燥的沙塵，形成了遮天蔽日的沙塵暴，把正午時分的帕克斯鎮籠罩得如同黑夜一般。
在整個帕克斯小鎮里，最高大的建筑物莫過于一臺 64 米口徑的射電望遠鏡，這就是以小鎮名字命名的帕克斯射電天文臺。
此時，這臺望遠鏡的傘形天線正在狂風中搖曳，發出恐怖的吱嘎聲。
在巨大天線底部的控制室內，5 名天文學家正嚴陣以待。他們不僅要想辦法確保射電望遠鏡的周全，還要準備完成一件從來沒有人完成過的任務——完成一次月球直播。
“月亮還要1個小時才能升起來，如果到那個時候風還不停，直播就泡湯了。”負責操縱望遠鏡的人，名叫尼爾·福克斯·梅森（Neil 'Fox' Mason），此刻的他神情嚴肅，目不斜視。
狂風從東邊吹來，那正是月亮升起的方向。直徑 64 米的大傘正對著 12 級的狂風，后果可想而知。但是，在 38 萬千米外的月球上，宇航員阿姆斯特朗已經穿好了宇航服，正準備給太空艙減壓。
“這是人類的里程碑。無論如何，我們都要盡力完成這次任務。”說話的是帕克斯天文臺的主任約翰·博爾頓（John Bolton），正是他與美國宇航局簽下合同，堅定地支持了登月直播計劃。
當月亮在地平線上緩緩升起時，風力減弱了一些，但仍然不符合望遠鏡的安全運行標準。巨大的天線緩緩轉向東方，向全球 6 億人開始了具有歷史意義的直播。
其實，負責直播的射電望遠鏡并不只有帕克斯這一臺。位于美國加州的戈德斯通深空通信中心和位于堪培拉的金銀花溪射電望遠鏡也參與了任務。但是，帕克斯望遠鏡提供的直播信號質量遠遠超越了另外兩個跟蹤站，這讓NASA全程都使用了帕克斯提供的直播信號。
在上世紀六七十年代，美蘇爭霸時期，一講到與太空探索有關的設備，普通人往往認為它們不是前蘇聯就是美國的，可能完全想不到澳大利亞。那么，這臺帕克斯望遠鏡又是何方神圣，居然能在如此惡劣的風暴天氣里，還能提供遠超過其他望遠鏡的清晰信號呢？這就是我們今天這期節目的要給你講述的故事。
艱難建造
二戰期間，雷達技術因為戰爭的需要而得到快速的發展。澳大利亞的雷達研究，開始于一個名叫無線電物理實驗室的機構。
在二戰期間，澳大利亞聯邦科學研究局建立了這家機構，進行秘密的雷達研究。到了上個世紀 50 年代初，無線電物理實驗室已經發展成為最大、最多樣化和最成功的研究機構。這也是澳大利亞的科研機構唯一一次在新學科中實現領跑。
在那個時代，雷達與射電望遠鏡，幾乎就是同義詞。最初的射電望遠鏡，也常常直接使用廢舊雷達上拆下來的舊零件。這些臨時拼湊的射電望遠鏡雖然粗糙，但卻成功發現了銀河系之外的大量射電源。這為大望遠鏡的設計制造，提供了非常寶貴的經驗。
塔菲·鮑文（Taffy Bowen）是無線電物理實驗室的主任[1]。當年，他因為發明了能夠安裝在戰斗機上的小型雷達而成為這個行業的頂尖專家。但是，全世界的射電天文學都在發展。澳大利亞要想保住自己的領先地位，只靠這些拼湊出來的舊設備肯定是不行的。他們需要世界上最好的望遠鏡。
不過，從事射電天文學研究與制造小型雷達最大的不同，就是不僅不賺錢，還要燒錢。目光短淺的澳大利亞政客，寧可花錢研究怎么剪羊毛，也不想把錢花在望遠鏡上。
好在塔菲·鮑文在美國科學界有很多影響力非凡的朋友。他利用個人關系和澳大利亞尚存的技術優勢，說服了卡內基公司和洛克菲勒基金會為澳大利亞的大望遠鏡投了一半的資金。來自美國的支持，讓當時的總理羅伯特·門澤斯（Robert Menzies）勉為其難地批準了剩余的資金。
從 1954 年立項開始，到 1961 年 10 月 31 日落成，帕克斯望遠鏡的設計建設整整花費了 7 年時間。澳大利亞完全沒有捐助科學設備的社會傳統，帕克斯望遠鏡至今仍然是澳大利亞最偉大的科學工程。可以想象，在這7年里，這項工程遭遇了多少阻力和非議。但很快，它就用一個重大的發現證明了自己的價值。
類星體
在帕克斯建成之前，人們已經發現了一種神秘的射電源。它們中的一些在可見光波段也被探測到了。光學上它們呈現為天空中的一個點，所以它們不是星系。但利用光譜探測卻發現，它們擁有和普通恒星完全不同的光譜。人們為這類神秘的天體取名為類星體。就是說它們看上去像恒星，但似乎又不是。
研究神秘的類星體相當重要的一步，是把光學的源，和射電的源在天空中精確對應上。因為光學望遠鏡一般分辨率更好，而且能看到的點源更多。所以射電望遠鏡給出的定位區域里，會有太多光學的可匹配選項，無法直接對應。找不出光學對應的源，也就沒法進一步拍光譜來研究它們。
這時候一些天文學家想出了很妙的方法。雖然射電望遠鏡本身的空間分辨率不足。但是通過月球掩食一些類星體的過程，可以計算出它們更準確的位置。因為月亮的運動是非常規律的，而類星體在天球上的位置相當于靜止。計算遮掩的時間差，再根據月球當時的位置就能反推出這些類星體的位置。
196 2年，兩位天文學家哈澤德（Cyril Hazard[2]）和博爾頓（John Gatenby Bolton[3]），利用帕克斯望遠鏡，觀測了類星體3C 273的5次月球掩食過程。由此給出了一個極小的定位區域。
另一位天文學家馬丁·施密特（Maarten Schmidt[4]）使用這個坐標，成功地找到了3C 273的光學對應體，并測量了它的光譜。
正如人們之前發現的，這些天體的光譜與恒星截然不同。施密特面對 3C 273 令人迷惑的光譜陷入沉思。天體的光譜中常常會出現不同元素的發射線，譜線信息就像是天體的身份證。但 3C 273 的譜線看起來卻難以分析出來自什么元素。
深思熟慮后，施密特大膽地提出，光譜中幾條明顯的發射線來自于氫。這是其他人之前不太敢設想的，因為那意味著它的光譜存在 16% 的紅移。紅移主要是由宇宙膨脹造成的，星體距離地球越遠，產生的紅移現象就越是明顯。經過測算，能產生如此巨大的紅移現象，意味著 3C 273 距離我們有 24 億光年的距離！類星體一下子成為了當時已知最遙遠的天體。
距離還不是最讓人吃驚的，這么遙遠的距離，還能有如此清晰的信號傳到地球，類星體中蘊含的恐怖能量，讓所有科學家都感到驚訝。這一發現立即轟動了科學界。類星體也因此被譽為二十世紀天文學的四大發現之一。馬丁·施密特也因為這個成就被時代周刊放上了封面。而參與這一重大發現的帕克斯望遠鏡，當時才是一個一歲的嬰兒。
阿波羅計劃
帕克斯望遠鏡的設計非常成功，這也讓它成為了后續望遠鏡爭相學習和復制的對象。不過，雖然帕克斯望遠鏡一直在被模仿，卻從未被超越。
1969 年 7 月 16 日，阿波羅 11 號載著三名宇航員飛向月球。
4 天后，宇航員阿姆斯特朗和奧爾德林駕駛著鷹號登月艙降落在月球表面，他們將在這里，向全世界直播人類首次踏上月球的震撼畫面。
首當其沖地承擔了地月信號轉播重任的，是一架名為戈德斯通深空通信望遠鏡的設備。這臺望遠鏡位于美國加州，由美國宇航局設計，聽它的名字也能知道，它就是為了進行太空通訊而建造的。
戈德斯通望遠鏡口徑70米，比已經屬于巨無霸的帕克斯望遠鏡的接收面積還足足大了20%。但是，作為備選轉播站的帕克斯望遠鏡，即便面對著沙塵暴的襲擊，仍然在信號質量上完勝了位于美國加州的對手。這正是節目開頭時發生的故事。
圖：阿姆斯特朗踏上月球時的心跳信息，最終由帕克斯接收到
帕克斯望遠鏡之所以能戰勝比它口徑更大的對手，與它更加靈敏的接收設備是分不開的。由于擁有小型高精度雷達的設計經驗，帕克斯望遠鏡的設計者塔菲·鮑文非常重視接收設備的靈敏度，這也成了帕克斯望遠鏡譜寫不老神話的關鍵。
后來，帕克斯望遠鏡又多次參與了宇航項目，其中就包括了著名的伽利略號木星探測任務和卡西尼號土星探測任務。
脈沖星
除了服務宇航，帕克斯望遠鏡觀測的很重要的一類天體，叫做脈沖星或者中子星。
如果說黑洞是宇宙中怪物排行榜第一的天體，那么中子星可能就排在第二。當一顆恒星內部幾乎所有的原子都在超新星爆炸中塌縮。外層的電子與核內的質子結合成中子，原本相聚遙遠的原子核突然擠到了一起。這時一個太陽質量的物質，就會變成一顆直徑只有十公里的中子星。在這樣的密度下，一勺子的物質就有地球上一座山的質量。如此小的尺寸可以讓中子星以秒為單位高速轉動，并爆發出以自轉為周期的穩定脈沖輻射。所以它們中的一些也得名脈沖星。
中子星的環境非常極端，有關它們的一切都令天文學家著迷。帕克斯就在這一領域中功勛卓著。截止目前，人類一共探測到了約三千顆脈沖星。而這其中近三分之二，是帕克斯望遠鏡探測到的！帕克斯可謂是脈沖星研究中扛把子的存在。
快速射電暴
聽到這你應該會同意，帕克斯是一位功勛累累的科學老兵了。但我們也知道，歲月從來不對老兵寬容。
2001 年，帕克斯望遠鏡即將迎來它 40 歲的生日。40 年的風吹雨打，讓它巨大的網狀碟形反射面銹跡斑斑，徹底失去了當初的光澤。支撐巨大天線的橙紅色塔座，就像一個佇立在平原上的老磨坊，在經歷了時間的洗禮之后，已經失去了當年的時尚和科幻的視覺感受[5]。
不過，這一切都是假象。表面的銹跡并不會明顯影響它的工作，他并沒有變得遲鈍，相反，如同40年前一樣，此時的帕克斯望遠鏡正陪伴著天文學家，聆聽著來自宇宙深處的信息。
付出總有回報。7 月 24 日這天，一個驚人的天體信號被帕克斯望遠鏡捕捉并記錄了下來。這個信號只有短短的幾毫秒，短到當天使用帕克斯望遠鏡的科學家也沒有意識到它的重要性。但它將在 6 年后開啟天文學的一個全新領域，并從多個角度推進我們對宇宙的認知。
2007 年，天文學家鄧肯·洛里默（Duncan Lorimer[6]）在對 6 年前的數據進行新的搜尋時，發現了一個之前從未見過的信號。
這個信號和脈沖星的信號有很多相似之處，它們都是 G 赫茲頻段的毫秒級脈沖。可它們也有不同。星際空間中的等離子體會讓不同頻率的電磁波略微偏離真空中的光速。這導致，遠處天體同時出發的不同頻率的射電信號，到達地球的時間不同。測量這個到達時間差，就可以反推這些信號穿過了多少等離子體，同時也意味著走過了多遠的距離。
而這個神秘的信號推算出來的距離表明它不在我們的銀河系內，這與之前的脈沖星完全不同。
我們所在的宇宙廣袤無垠，星系在宇宙中往往距離遙遠。如果我們把恒星比作湖里的魚，那星系就是一個個大湖。湖與湖之間的距離，總是遠大于湖中魚和魚的距離。所以和類星體一樣，一旦天文學家發現它們和我們不在一個星系，就同時意味著它們擁有遙遠的距離和極高的能量。因此天文學家形象的給這類現象取名為快速射電暴。
但 2007 年，帕克斯已不再是當年傲視群雄的存在了，在建成的四十多年里很多新的競爭者登上了舞臺。帕克斯的這個新發現沒有立刻被學界接受。當然，孤例不證也是科學界的慣例。可接下來更雪上加霜的是，似乎一些人為的信號也能長得和快速射電暴一樣。隨后的研究發現，這些人為信號來自于觀測站內的微波爐。一時間，快速射電暴受到了更多的質疑。
6 年后的 2013 年，還是帕克斯望遠鏡，另一批天文學家發現了新的 4 個快速射電暴，并且排除了微波爐的干擾。這終于確定了快速射電暴的真實性。從那以后，快速射電暴的研究迅速發展起來。大量的設備和科研人員投入到這一領域，如今已取得了大量令人欣喜的發現。
而且快速射電暴遙遠的距離，短暫而明亮的暴發，加之超高的事件率，讓天文學家們不但對快速射電暴本身感興趣，也對把它作為探測宇宙的工具充滿了期待。
目前，快速射電暴還有很多謎團。未來我們一定會聽到快速射電暴領域帶來的更多驚喜。而這一切突破都始于帕克斯。
接收機
轉眼又是十多年過去了，如今帕克斯望遠鏡年過花甲，也被澳大利亞列入了國家遺產名錄。但它每天的工作表，卻依然排得滿滿當當。它現在的觀測任務中除了脈沖星、快速射電暴，還有利用脈沖星探測引力波，和搜尋地外文明信號等等。每一項工作，都讓人充滿期待。
這不禁讓人好奇，為什么戰斗了六十年，帕克斯仍然能站在科研的第一線呢？
其實，其中的原因我們前面已經說過，那就是靈敏的接收機。
與光學望遠鏡的感光芯片類似，接收機就是射電望遠鏡的視網膜。巨大光滑的反射面固然重要，但反射面匯聚的信號，必須要經過接收機才能收集起來。而接收機的靈敏程度，正是射電望遠鏡能力的瓶頸。
帕克斯望遠鏡的接收機，就安置在反射面前方 27 米，三個支架支撐的焦點上。現在，帕克斯望遠鏡的饋源艙里，可以同時放置多個接收機，根據任務需求快速切換。為了減少熱運動帶來的噪聲，這些靈敏的接收機都工作在接近絕對零度的環境里。
雖然天文學家經常說，某個天體猛烈爆發，釋放出巨大的能量，但“猛烈”兩個字，說的只是天體所在的位置而已。那些巨大的能量在穿越茫茫宇宙的過程中會不斷耗散，到達地球的時候，能量早已變得極其微弱。科研人員必須不斷地推進靈敏度的極限，才能做到“于無聲處聽驚雷”。
有人計算過，帕克斯望遠鏡現在的靈敏度，是它剛建成時的一萬倍。正是這種與時俱進，鑄就了帕克斯的不老神話。
射電觀測是不分晝夜的，所以除了檢修，帕克斯幾乎日夜不歇地凝視著宇宙。它多像人類文明一只深邃的眼睛。它跨越過世紀，越飽經風霜，越目光灼灼。
信源
劉原