中国科学院知识产权管理

提到天眼,你可能首先会想到中国贵州的天眼。它是世界上最大和最灵敏的射电望远镜,单孔径为500米。但是曾经世界上最大的射电望远镜是美国的阿雷西博天文台,直径超过300米。建于1960年代,现在看起来很破旧,像个大垃圾场。

顾名思义,天眼就是地球上用来观测天象的“眼睛”。与光学望远镜不同的是,天眼是射电望远镜,它通过阵列式反射面将无线电信号(电磁波)反射到中间的信号接收塔,将信号聚集在一起,去除背景杂波后得到要观测的目标天体(天象)。由于光学望远镜的口径有限,当今世界上在建或投入使用的光学望远镜最大口径只有39米。因为只能观测到明亮的天体,而且由于大气层的阻挡,建在地面上的光学望远镜的功能会受到限制。射电望远镜相对容易,它可以建造更大的反射面。光圈越大,响应越灵敏,更有利于观测远处的射电信号,可以观测到很多光学望远镜观测不到的天体。

曾经世界上最大的射电望远镜是美国的阿雷西博天文台,直径305米。它建于1960年代,这个巨大的天文台在很多电影中都可以看到。阿雷西博天文台建成以来,脉冲星等特殊天体被发现,对人类观测宇宙有很大帮助。不幸的是,美国的许多种观测设备甚至被转移到了太空,包括哈勃和其他太空望远镜。阿雷西博天文台建造了很长时间,它是一个固定表面的射电望远镜。高昂的维护费用让它几乎关闭。现在看起来很破旧,但还在发挥作用。

由此可见,发达国家走得远快,绝非偶然。20世纪60年代,美国已经建造了这样的大口径射电望远镜。由于反射镜之间的排列误差,需要高精度的反射镜装配,一般对工业技术要求较高。虽然天文观测在短时间内投入大,产出小,但基础科学的进步总有一天会推动生产力的大发展。很多著名的天文台都建在欧美,或者从欧美输出技术,其他国家出资人力物力来建。作为国际合作,双方都享有这些设施的好处。如今阿雷西博天文台的功能已经有限,欧美又有了新的模式。

去年,黑洞视界照片的新闻在世界上引起了轰动,但是用单一的天文望远镜很难观测到黑洞视界。欧美想到的办法是将分布在世界各地的几台射电望远镜组合成一台直径与地球相当的超大型望远镜,即视界望远镜。把世界各地收集的信息汇集在一起,可以更清晰地拍摄到黑洞周围的景象,但其实在此之前的两三年,欧美就已经获得了黑洞视界之外的图像,去年还是更清晰、更细致的图像。简单来说,现在欧美都在建射电望远镜。通过搭建望远镜阵列,可以移动口径更小的射电望远镜的反射面,类似于雷达,多套组合可以避免反射面面积不足的问题。

阿雷西博天文台建得太早了。另外是射电望远镜,有固定反射镜,用的技术比较初级。1960 s和现在的技术水平相差很大,所以它的使命基本结束了。然而,射电望远镜的功能不仅仅是天文观测,还可以用于建立空间通信和深空探测。它还有一个重要的功能,就是可以主动发射信号,可以弥补天体信号弱的问题。发射的信号经过反射后非常微弱,因此需要阿雷西博望远镜巨大的反射面。美国之所以用它向球状星团M13发送信息,是因为其中的恒星分布密集,更容易被地外智慧生命接收到。

说到“天空之眼”,许多人可能会想到位于中国贵州省的射电望远镜FAST。天文学家南在1994年提出了快速射电望远镜的概念。历时22年建成,2016年9月25日投入使用。这台射电望远镜由中国科学院国家天文台牵头,拥有我国自主知识产权。它的口径达到500米。

但在中国之前,其实欧美一些国家已经建成了一些射电望远镜,其中世界上最早的射电望远镜位于波多黎各的阿雷西博射电望远镜,直径305米,于1963年建成并投入使用。这台射电望远镜建成后,是2016年以前世界上最大的球面射电望远镜。

阿雷西博射电望远镜的建成为人类探索外层空间提供了有力的工具。利用阿雷西博射电望远镜,人类在外层空间探索方面取得了许多可喜的成就。比如1974年,泰勒和赫尔斯利用阿雷西博射电望远镜发现了第一个射电脉冲双星系统PSR191316。泰勒教授用阿雷西博射电望远镜进行了数千次观测,得到了这颗脉冲星20年的轨道周期,证明观测结果与广义相对论的计算结果吻合良好,最终证实了引力波的存在。泰勒和霍尔斯一起获得了1993诺贝尔物理学奖。

比如991年,天文学家Voszan和Foehrer利用这台望远镜发现了毫秒脉冲星PSR125712的行星系统,再次在科学界引起轰动。

但是除了上面提到的两件事,阿雷西博射电望远镜并没有太大的成就。

2016中国射电望远镜发射后,阿雷西博射电望远镜开始逐渐被遗忘,甚至被抛弃。

目前阿雷西博射电望远镜的情况不是很乐观。从各种视频来看,阿雷西博射电望远镜锈迹斑斑,很多地方布满灰尘,有些地方已经损坏。似乎已经很久没有人维护它了,所以从远处看,阿雷西博射电望远镜更像是一个垃圾场。

那为什么世界上第一台射电望远镜会落到今天这样的田地?我认为有几个主要原因:

第一,阿雷西博射电望远镜出现其他射电望远镜后,世界上很多国家也建造了其他射电望远镜,比如中国的FAST射电望远镜;比如美国新墨西哥的甚大阵列(VLA);RATAN-600;位于俄罗斯北高加索地区;美国西弗吉尼亚州罗伯特·伯德绿岸望远镜;德国波恩的Eifelsberg射电望远镜;英国曼彻斯特大学Lovel射电望远镜;上海天马王射电望远镜。

这些射电望远镜的建造时间晚于阿雷西博射电望远镜,分布在世界各地,这样世界各地的科学家就不用一路跑到波多黎各,从而降低了阿雷西博射电望远镜的频率。

第二,阿雷西博士的望远镜技术比较落后。阿雷西博射电望远镜虽然口径很大,达到了350米,但是由于建造较早,技术相对落后,而且阿雷西博射电望远镜是固定望远镜,只能观测一个方向,非常有限。

在阿雷西博射电望远镜之后,许多新的射电望远镜在技术和灵活性上都优于阿雷西博射电望远镜。

例如,中国的FAST射电望远镜是世界上最灵敏的探测器之一,五百米口径球面射电望远镜(FAST)可以“听到”距离地球654.38+03亿光年的无线电信号。据透露,天眼的先进程度至少是阿雷西博的20倍。

正是由于五百米口径球面射电望远镜(FAST)的先进技术,它的成就也是非常可喜的。试运行期间,五百米口径球面射电望远镜(FAST)发现了6颗脉冲星,随后在65438+2月又发现了3颗脉冲星。到2020年3月23日,发现并认证的脉冲星数量已经达到114。

另一个例子是美国的甚大阵列(VLA),它是通过将27台25米直径的射电望远镜排列成Y形而成为世界上最大的合成孔径射电望远镜。人们可以通过在轨道上移动单个望远镜来改变望远镜之间的距离,从而形成不同的编队,以满足不同的观测需求。

正因为阿雷西博射电望远镜技术相对落后,观测方向有很大的局限性,所以被其他射电望远镜取代是必然的。

第三,阿雷西博射电望远镜的维护成本比较高。作为世界上最大的射电望远镜,阿雷西博射电望远镜的维护成本非常高。阿雷西博自建成以来,一直由美国康奈尔大学管理运营,直至2011。此后,根据与美国国家科学基金会的合作协议,由中佛罗里达大学、杨企业和波多黎各城市大学共同管理和运营。阿雷西博天文台年运行费用约为12万。

综合以上因素,阿雷西博射电望远镜技术比较落后,成绩一般,维护成本比较高,美国没必要花大价钱维护这样的射电望远镜,所以干脆放弃了。

在美国波多黎各的山区,曾经有世界上第一台天文望远镜——“阿雷西博望远镜”。它建于20世纪60年代,以305米的超大口径(后来扩大到350米)成为科学界的宠儿。前后有成千上万的科学家使用过它,它也出现在许多好莱坞电影中。可以说是风光无限,捧红了整个天文圈。

去年,中国完成了世界上最大的单孔径射电望远镜FAST的建造并投入使用。要知道,我们国家的这个天眼在设计之初,是向着世界第一的目标前进的。设计口径达到500米,突破了射电望远镜的百米极限。工作效率比阿雷西博望远镜高5到10倍,完全粉碎。

当整个中国都在为我们自建的“天空之眼”欢欣鼓舞时,世界另一端的美国人似乎有点尴尬。因为位于美国波多黎各的阿雷西博望远镜,这个曾经的世界第一望远镜,因为年久失修,锈迹斑斑,几乎成了一个大垃圾场。仔细看看阿雷西博望远镜的近况,发现它已经失去了当初的辉煌,整个场地杂草丛生,锈迹斑斑。如果你仔细看,就像进入了一个无人区域。

需要说明的是,由于设备落后,美国拨给这台望远镜的资金一年比一年少,现在阿雷西博望远镜已经完全无法正常运行和使用。负责维护的康奈尔大学和美国国家自然科学基金会都不想资助维护。甚至有提案要求重新评估其环保性,以评估阿雷西博望远镜的运行状态发生了变化,可能会对环境造成影响,然后彻底关闭!曾经它收获了无数的赞美和敬仰,如今却处于无人问津的状态。随着中国世界上第一只眼睛投入使用,全世界的科学家蜂拥而至,期望能够有幸参与天文研究,但当年的世界第一台望远镜如今却落得如此悲惨的下场。有网友说:“看着美国人的眼睛多惨,只能感叹‘一代新人换旧人’,希望我们国家的眼睛经得起历史的考验!”。