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地球之眼!图说人类最大的毫米波天文望远镜阵列

发表时间:2019-11-06 23:26:00  来源:野望文存  浏览:次   【】【】【

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小火箭出品

本文作者:邢强博士


本文共6305字,105

预计阅读时间:50分


很久没写图集了。


今天,咱们以图说的方式,一起聊一聊人类最大的毫米波天文望远镜阵列吧!


阿塔卡马毫米波超级天文望远镜阵列,位于智利阿塔卡马沙漠,由54 座口径为12 米的射电天文望远镜天线和12 座口径为7 米的射电天文望远镜天线组成。


这66座天线构成的巨大阵列,具备从0.2毫米到1.5毫米的毫米波强大观测能力。


其综合分辨率为4毫角秒(比哈勃太空望远镜敏锐10倍)。


当然,这个阵列的造价也不菲:15亿美元(相当于人民币105.25亿元)。


美国、加拿大、欧洲和亚洲部分国家和地区分担了阿塔卡马超级天文望远镜阵列的建设成本和维护费用,其观测成果由全人类共享。


阿塔卡马天文望远镜阵列,顾名思义,是建设在阿塔卡马的望远镜阵列,用于天文观测。


上图是遥感卫星拍摄的南美洲的画面,位于左侧中部的带有明显沙漠色彩,与附近的雨林区域形成鲜明对比的,就是阿塔卡马沙漠。


阿塔卡马沙漠,是南美洲西海岸中部的沙漠地区,在安第斯山脉和南太平洋岸之间南北绵延近1000公里,总面积约为18.13万平方公里,占地球总陆地面积的0.75%。


阿塔卡马沙漠的主体位于智利北部境内,也有一些部分位于秘鲁、玻利维亚和阿根廷。


这片区域的大小,刚好相当于中国广东省的面积


阿塔卡马沙漠,是地球上最干旱的大片区域,年均降雨量小于0.1毫米


这是什么概念呢?


我国海南岛的年均降水量为1639毫米


以缺水著称的全球超级人口聚集区,中国华北地区,年均降水量为610毫米


中国最干旱的吐鲁番的托克逊,年均降水量为5.9毫米


吐鲁番的年均降水量,是阿塔卡马沙漠的60倍


小火箭提示:上图为阿塔卡马沙漠,里面有一头野驴。


阿塔卡马沙漠东部的安第斯山脉阻挡了来自大西洋的湿润水汽。


大西洋的水汽过不来,那么旁边的太平洋呢?


虽然阿塔卡马在太平洋的海边,但该地带水域常年受副热带高压控制,盛行下沉的离岸风,西边的太平洋由于秘鲁凉流的经过,下层水气易凝结成云或者雾,但难以成雨。


实际上,阿塔卡马沙漠建设天文望远镜的山侧一带,自公元1570年开始出现人类气象观测数据,到1998年,累计观测400多年以来,未曾记录到明显的降水


世界各地的天文学家,正是看中了这里的干旱。


干燥的气候加上人迹罕至的条件,让这里天空清澈透明,非常适合进行天文观测。


阿塔卡马沙漠有多人迹罕至?


看上图的卫星照片就有个概念了。夜间的灯光的疏密程度往往和当地的人口密度和经济发展水平有着较强的关联。


阿塔卡马沙漠和热带雨林深处,都是几乎没有灯光的。


在红色的大山的半山腰,一台孤独的天文望远镜守望着天空。


阿塔卡马沙漠由一系列盐碱盆地组成,座落在干旱无雨的高原地形,平均海拔达到610米,高原上错落着盐分极高的咸水湖、砂子及火山岩浆熔岩,盛产硝石、银矿和铜矿。


世界上最大的露天铜矿 丘基卡玛塔 同样位于阿塔卡马沙漠中。


该铜矿海拔2850米,深850米,年产铜 50万吨。


人类,

向下求索,以求资源和财富

向上求索,以求知识和解脱

——小火箭


阿塔卡马的66座天线,可以根据需要改变位置,形成不同的排列方式,以满足各地天文学家不同的观察要求。


要观察宇宙的广阔范围,天线必须紧凑地布置,这66根天线彼此非常接近,如上图所示。


这是一个绝妙的隐喻:人类要想了解广袤的宇宙,就需要比以前更加团结。


搬运和移动天线的工作,由专业的搬运者号28轮运输车进行。


这是28轮运输车“搬运者号”正在海拔5000米的望远镜大本营运送12米口径天线的场景,摄于2008年。


费这么大劲,值得么?


看过下图,大部分应该会觉得很值了:


这是猎户座大星云内,一片正在孕育新的恒星的星云。


上图由哈勃望远镜的可见光图像和阿塔卡马毫米波天文望远镜的图像叠加而成,能够揭示出更多奥秘。


通过原本用于军事,探测隐身飞机的毫米波、米波和可见光数据融合技术,阿塔卡马超级阵列成功锁定了氰化乙酯分子的频谱,向人类展示了隐藏在浓密星云深处的恒星孕育的过程。


上图有十处以上,出现了明亮的闪光。那是一颗新生恒星出世瞬间的一声啼哭。


阿塔卡马沙漠和查南托高原的无边无际,见证了人类上下求索的历程。


上图8台天线构成一个子阵列,正在通力合作,准备拍摄长蛇座TW的升起。


在距离地球176.24光年远的地方,长蛇座内,一颗只有800万年的幼年恒星正在满心欢喜地布置她的行星盘。


一颗质量约为太阳系的木星质量1.2倍,距离母星0.04个天文单位,以3.56个地球日环绕母星运行的幼年气态行星正在慢慢成形。


上图由阿塔卡马望远镜阵列拍摄于2016年3月。


这是人类第一次以如此高的分辨率直接观测到原始行星盘形成的过程。


当然,这个清晰度,对于人们快速增长的好奇心和求知欲来说,还需进步。


所有观测数据和校准数据,都通过光纤发送到位于圣地亚哥的阿塔卡马计算中心,然后从那里完成初步计算之后,再分发到北美,欧洲和亚洲。


在阿塔卡马计算中心满负荷运行时,每天可以处理80GB的天文数据。


这数据处理能力,相当于小火箭计算中心的100倍。


整个数据中心由4个机房组成,可并行处理504组数据。


专业计算模块,有2912块。


4座阿塔卡马望远镜在沙尘中静静守候。


为确保望远镜时刻处于最佳状态,工作人员需要定期进行检修。


每台阿塔卡马天文望远镜的天线内,都有这样一个最核心的部件:


由10个接收器构成的接受阵列。


上图为单台接收器。



为确保最佳的工作状态,这10个毫米波/亚毫米波接收器,时刻处于液氦的冷却环境中。


这是人类能够在工程上可较成规模使用的最低温度:-269.1℃


这个天线阵列,以每月耗尽数以吨计的液氦来维持。


岂一个豪字了得!


有关氦,详见小火箭的公号报告《》。


这几座天线被运到了圣佩德罗火山脚下,准备拍摄蓝凤凰。


蓝凤凰!


凤凰星团中心的超大质量黑洞的无线电射流,被阿塔卡马天文望远镜阵列抓拍到了。


阿塔卡马天文望远镜阵列的天文学家居住地


在地球最干旱和几乎最荒凉的地方,汇聚了一堆聪明的头脑和一群对星空有着信仰的人。


当然,翻过一座山之后,这里的气候和生态就会大有不同。


这是羊驼么?


不是的,这是骆马。


南美洲骆驼4大表亲:骆马羊驼驼羊原驼


这4个物种都是骆驼科的。


怎么区分呢?


小火箭觉得,一看体型,二看性格,三看心情吧。


骆马,和洛克希德·马丁公司的中文简称同名。


虽然洛马是全球最大的军火巨头,但是骆马则是4大骆驼表亲中体型最小的。


成年骆马体重最多也就130斤,个头不到0.84米


骆马是野生动物,尚难以驯化,对人类有着小心翼翼的戒心。


而十年前就在国内网上迷倒很多人的羊驼,则已经是可以抚摸的了。


怎么按心情区分?


心情很好的时候,不分彼此,管它什么骆,还是什么驼,总之长脖子加大长腿,很优雅就是了。


骆马,来自克丘亚语维克那语,是骆驼科,羊驼族,骆马属的一种哺乳动物,生活在安第斯高原。


它们是阿卡塔马天文望远镜阵列的工作人员的陪伴者。


在世界上最干旱的地区,在方圆30公里的不可生存区之外,在沙漠范围之内,生存着一种小狐狸,名为安第斯狐狸。


这种小狐狸,性格顽强,坚毅无比,是阿塔卡马望远镜阵列的守护神。


守护着射电望远镜阵列的安第斯狐狸。


阿塔卡马望远镜阵列旁边,一头野驴正在一棵仙人掌的影子里乘凉。


下雪了!


阿塔卡马天文望远镜阵列,横跨山脉两侧。


西侧,世界最干旱。


东侧,造就世界最干旱区域的原因。


高耸的安第斯山脉挡住了大西洋湿润的气流,并将其凝固成摄人心魄的暴雪。


位于海拔5000米的天线阵列,在山的西侧要忍受极度的干旱,在山的东侧则要时刻提防冰雪女王的淘气。


移动巨大的望远镜天线需要消耗大量时间和精力。


有时候,问题不大的时候,进行原位维修就可以了。


上图是专门为维修该天线研制的升降式工作间。


暴雪之后,望远镜天线底部的冰雪尚未化尽。


搬运者运输车正在跨越雪地,将天线运输到预定地点。


雪后天空更是晴朗清澈。


66座天文望远镜组成的超级阵列,抓住这个好时机,开启了巡天观测。


在阿塔卡马射电天文望远镜阵列工作的科研人员,积极举办各种科普公益活动。


上图为智利民众观星之旅。


阿塔卡马天文望远镜阵列对MWC 758 天体进行的0.87毫米亚毫米波成像


射手座,又名人马座,因为在占星学中也有个地位,所以广为人知。


苏东坡有诗:月出于东山之上,徘徊于斗牛之间


这里的斗,就是二十八星宿里的斗宿,属于射手座天区。


上图中心的那颗明亮的星,就是射手座内一颗年轻恒星,其周围则是射手座大量和咱们的太阳属于同龄的中年恒星。


每年7月7日,射手座中心上中天,这个覆盖全天2.1%面积的星座,是88个星座中第15大的。


不过,虽然苏轼的诗篇里提及了这个天区,实际上小火箭按星座推演,按他们星座学的概念,苏轼应该是摩羯座的。他那相爱相杀的对手王安石,才是射手座的。


天文学和占星学,在咱们有生之年能够做到和睦相处么?


不好说。


不过,阿塔卡马天文望远镜超级阵列在兴建伊始,就是尊重当地原始神灵的。


嗯,各路神仙多拜一拜,礼多人不怪,神仙也不怪吧。


上图是当地长老在用古老的印加仪式向帕卡哈玛女神祈福,保佑天文望远镜阵列平安。


帕卡哈玛女神,是印加文明中的生育女神,主管播种和采摘。


这永远自由和无拘无束的灵魂,能够保佑大地的生灵免遭地震伤害,多子多福。


这圣袍穿上去真的很有范儿。


地球之眼,守望四方


Someone You Loved Lewis Capaldi - Divinely Uninspired To A Hellish Extent


哈勃望远镜(蓝色)和阿塔卡马天文望远镜阵列(橙色)联手拍摄的回旋镖星云


回旋镖星云中心一颗垂暮的老年恒星,不忍温柔地步入那个良宵,而是选择了用一种惊天动地的方式来完成最后一次绽放。


这次大爆发,迸发出的物质,形成了沙漏的形状。


沙漏两端距离超过3万亿公里(相当于地球到太阳距离的2.1万倍!)


阿塔卡马阵列拍摄的爆发瞬间。回旋镖星云或许会因此更名为:上帝之手了吧。


可惜这是位于智利的阵列发现的,到阿根廷还有一点点距离。


阿塔卡马阵列的观测数据,有利于支撑恒星天体物理学的仿真计算。


上图为一颗恒星诞生过程中的湍流仿真计算结果。


日落余晖中的阿塔卡马射电望远镜阵列


落日余晖中的阿塔卡马阵列俯瞰。


如果火星上能够开始动工建设永久基地的话,小火箭认为最早的基地就是像上图这样的吧!


这么大的天线,是怎么运过来呢?


答:海运之后再用车队。


北美和日本制造的天线,用大船运到智利安托法加斯塔港口,欧洲制造的天线则是运到智利梅吉永斯港口。


天线从船上卸下,被放在低底盘卡车上后,通过300多公里的路程,用3天时间穿越阿塔卡马无人区,到达基地。


星夜兼程,穿山越岭,为的是满足全人类的好奇心。


这悠闲踱步,胆敢挡路的,当然就是大名鼎鼎的羊驼了。


山路较陡的时候,会有另外一个卡车拖头来帮忙,两个拖头牵引一座天线。


上更陡的坡的时候,就需要专业的28轮载具了。


操纵和重新放置天线是一项复杂的操作,由搬运者完成。


搬运者,自重100吨,


拥有28个可以360°自由旋转的车轮,载重130吨


巡航车速:12公里/小时;


最大车速:20公里/小时。


搬运者运输车的行进速度比较慢。


所以,当需要远程转场的时候,就需要平板拖车,来担任搬运者的搬运者了。


两辆搬运者的近照


搬运者,拥有28个,共14组可以全向转弯的轮儿,驾驶起来可不容易。


射电望远镜天线,又属于精密仪器,轻易不能发生碰撞。


平时,驾驶员们用混凝土块配重进行练习。


上图这辆搬运者,背负4块混凝土,每块重30吨,总负重刚好和天线的120吨体重相当。


每次重新布置和定位,平均耗时5小时。


为阿塔卡马射电天文望远镜供电的发电厂。


海拔5000米的高原沙漠,高大的仙人掌。


南美洲特有的高山沙漠牧草


阿塔卡马兔鼠,长得像与世无争的咪咪眼兔子,不过实际上它与野兔的亲缘关系还是比较远的。


阿塔卡马高原沙漠羊角菜


这朵在阿塔卡马沙漠的天文望远镜阵列旁边开放的小野花,小火箭不认识。好友们如有研究,还请告知。


用于室内维护保养的厂房


直径12米的天线,是由大量预制模块拼接而成的。


整个组装和调试过程,需要18天时间。


外部框架的搭建,在户外进行。


一支由来自世界各地的志愿者组成的阿塔卡马旅,和当地小狐狸一起,肩负守护任务。


上图为阿塔卡马旅的志愿者正在进行消防演练。


阿塔卡马天文望远镜阵列观测到的新的恒星诞生瞬间的一声初啼。


射电望远镜,实际上可以理解为是被动雷达。


和主动雷达自身发射电磁波然后再接收目标的反射电磁波不同的是,射电望远镜是依靠自身超强的灵敏度,不主动发射电磁波,而是直接接收来自宇宙深处的信号。


不过,很多基于军用雷达的技术,可以发展为现代宇宙观测手段。


上图是阿卡塔马射电望远镜阵列对一团快速运动的星际物质进行的速度矢量场判读:蓝色部分,是正飞速奔向地球的物质;红色部分,是快速远离地球的物质。



公元2017年8月17日夜晚,阿塔卡马天文望远镜接收到了猛烈的伽马射线,经初步判定,这是人类有史以来第一次全程目击两颗中子星的剧烈碰撞与融合。


2017年10月16日,全球科学家共同庆祝了对这次碰撞的引力波的成功探测。



上图是艺术家根据多方数据而展示的中子星碰撞融合概念图。


星空领域,这是本文两张概念图之第一张。


发生在1.3亿光年之外的这次中子星的碰撞,是罕见而又壮美的。


小火箭另注:宇宙中的黄金和铂金这样的贵重金属,大多是在这样的碰撞过程中产生的


月亮,银河,祈福用的石堆


距离地球1440光年之外的地方,一颗年迈的恒星,正在把较轻的物质往外推,准备形成一团巨大的星云。


这么近的距离,是个观测的好机会。可是,苦于观测设备限制,之前人类对这颗红巨星的了解仅限于上图。


上图是欧洲当年能够拿出来的最好的地面天文望远镜拍摄到的画面。


然后,哈勃太空天文望远镜出手,拍出了上图。红巨星本身还是很亮的,为了防止过曝,挡住了恒星的光球层。


可见,外表还是比较精细的。


但是,人类想了解新的星云诞生时的内部结构。


于是,阿塔卡马射电天文望远镜阵列出马了!


这是阿塔卡马射电天文望远镜阵列对这颗红巨星周围正在形成的星云的实拍。


借助毫米波技术,人类第一次看到了初生星云内部的结构:螺旋状。


在璀璨夺目的外壳内部,精细的星云丝状和螺旋状结构,美妙无比。


阿塔卡马望远镜观测到的一氧化碳雪,范围足足有30个天文单位!


(地球到太阳的距离,为1个天文单位,相当于149597871公里,约1.5亿公里)


借助射电天文望远镜能够针对独特波段进行凝视的原理,人类可以了解多种物质在宇宙中的分布。


如此大规模的一氧化碳,能够和宇宙中普遍存在的氢产生交集,从而在适当环境中生成甲醇、乙醇这样的有机物。


宇宙中的这片区域,是飘着酒香的。只不过,不知道会把我们引入一个怎样曼妙的巷子。


这让小火箭浮想联翩。


上图是阿塔卡马超级射电天文望远镜阵列拍摄到的宇宙尘埃正被中心天体吸引汇聚的过程。这是人类首次观测到。


这个过程,往往伴生着巨型气态行星的诞生,比如咱们太阳系的木星就是这样诞生的。


上图这个星系,直径是太阳系的2倍,或许能够形成更大的巨型气态行星。


不过,这个清晰度还是需要加强啊!


没关系,设备不够强大,就拿想象力来凑一下。


上图是本文星空领域两张概念图之第二张。


小火箭期待人类的观测能力能够更加突飞猛进,在我有生之年获得上图那样精美的实拍画面。


阿塔卡马大型毫米波阵列,英文为 Atacama Large Millimeter Array,其缩写为ALMA。


西班牙语里,ALMA的意思是灵魂;在阿拉伯语里,ALMA的读音和博学多闻相关。


可见,这个缩写是极好的。




有两样东西,我对它们的思考越是深沉和持久,它们在我心灵中唤起的赞叹和敬畏就会越来越历久弥新:一是我们头顶浩瀚灿烂的星空,一是我们心中崇高的法则。它们向我印证,上帝在我头顶,亦在我心中。

——伊曼努尔·康德


全文结束!感谢大家!


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