阿雷西博望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)建造

研制阿雷西博雷達(dá)望遠(yuǎn)鏡是康乃爾大學(xué)的電子工程教授WilliamE.Gordon為研究電離層提出的，因此最初的名稱(chēng)是阿雷西博電離層觀測(cè)站。然而這個(gè)望遠(yuǎn)鏡卻在射電天文學(xué)和雷達(dá)天文學(xué)上發(fā)揮了更加重要的作用。不久，便改稱(chēng)國(guó)家天文和電離層中心(NAIC)。阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡80%的工作時(shí)間用于射電天文觀測(cè)，大氣研究占15%，剩下的5%用于雷達(dá)天文學(xué)的研究。世界上最靈敏的射電望遠(yuǎn)鏡和雷達(dá)，建在波多黎各的阿雷西博望遠(yuǎn)鏡利用了石灰?guī)r構(gòu)成喀斯特地形，用其中的尺度合適、比較對(duì)稱(chēng)的碗形大坑作為底座，減少了造價(jià)和技術(shù)難度。這個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡于1963年建造，主反射面是球面，原來(lái)的天線是金屬網(wǎng)，最短只能工作在50厘米波段。1972~1974年改建，由38778塊金屬板拼接而成

，使工作波段達(dá)到5厘米。1980年以后，又進(jìn)行了一次改建，把天線直徑擴(kuò)大到366米。1997年的改造使觀測(cè)頻率范圍擴(kuò)展為波長(zhǎng)6米到3厘米，使望遠(yuǎn)鏡可以觀測(cè)到更多的分子譜線。球面天線直徑305米，深508米，由固定在石灰?guī)r中的鋼索網(wǎng)支撐。固定在地面上的天線可以做得很大，其缺陷是不能通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)天線來(lái)對(duì)準(zhǔn)處在不同天區(qū)的射電源和進(jìn)行跟蹤。球面天線與拋物面天線不同，沒(méi)有主光軸，可以接收來(lái)自較大角度范圍的天體射電波，借助饋源的移動(dòng)可以在相當(dāng)大的天區(qū)范圍(約20°)掃描或跟蹤。來(lái)自天體的射電波不能像拋物面那樣聚集到一個(gè)點(diǎn)上，而要采取比較復(fù)雜的改正鏡或線性饋源的方法來(lái)收集能量。為了增加可觀測(cè)的波段和提高靈敏度，最初采用長(zhǎng)約28米的線性饋源的方法，后來(lái)改進(jìn)為改正鏡的方法。

一個(gè)重達(dá)500噸的三角形平臺(tái)和可移動(dòng)饋源臂懸掛在主反射面上空，由連在三座高達(dá)100米鐵塔的18根鋼索支撐著。平臺(tái)下方懸掛著離主反射面508米的一個(gè)圓屋，圓屋重75噸，直徑24米，在其中放置了兩個(gè)反射面(稱(chēng)之為格雷果里副反射面)、雷達(dá)發(fā)射機(jī)和微波接收機(jī)。這兩個(gè)反射面分別是第二和第三反射面，其直徑分別為219米和79米。從圖6可以看出，射到主反射面的天體射電波被反射到第二個(gè)反射面然后再反射到第三反射面，最后到達(dá)接收機(jī)屋內(nèi)的焦點(diǎn)上，不同的饋源連接在不同波段的接收機(jī)上，各個(gè)接收機(jī)裝置在一個(gè)可轉(zhuǎn)動(dòng)的圓盤(pán)上，可以很容易把所需的接收機(jī)移到焦點(diǎn)處。圓屋可以沿著曲線的臂上下運(yùn)動(dòng)，這個(gè)臂也可以旋轉(zhuǎn)。圓屋的設(shè)計(jì)是為了防止惡劣天氣對(duì)小反射面的傷害，也可以防止人為的電磁干擾。

為了觀測(cè)遙遠(yuǎn) 的天體，天文學(xué)家必須要研制能檢測(cè)出極其微弱的天體射電信號(hào)的望遠(yuǎn)鏡。全世界所有的射電望遠(yuǎn)鏡在60年中所收集到所有天體射電源的能量?jī)H僅相當(dāng)于幾個(gè)雨滴撞擊地面所釋放的能量。德國(guó)埃費(fèi)爾斯貝格和美國(guó)格林班克的兩臺(tái)可跟蹤信號(hào)的射電望遠(yuǎn)鏡，口徑100米，靈敏度高、分辨本領(lǐng)強(qiáng)、覆蓋天區(qū)廣、跟蹤靈活方便，堪稱(chēng)望遠(yuǎn)鏡中的精品。但是，要觀測(cè)更弱的射電源，還顯不足。美國(guó)305米口徑的阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡的接收面積比上述兩臺(tái)望遠(yuǎn)鏡的天線要大約10倍，靈敏度提高約1個(gè)數(shù)量級(jí)，成為當(dāng)今最強(qiáng)大的單天線射電望遠(yuǎn)鏡。然而，由于它覆蓋的天區(qū)有限，其他大型射電望遠(yuǎn)鏡仍然起著非常重要的作用。

1974年為慶祝改造完成，阿雷西博望遠(yuǎn)鏡向距離地球25,000光年的球狀星團(tuán)M13發(fā)送了一串由1679個(gè)二進(jìn)制數(shù)字

組成的信號(hào)，稱(chēng)為阿雷西博信息。如果信息被地外智慧生命所接收，會(huì)讀到如下的信息:用二進(jìn)制表示的1-10十個(gè)數(shù)字;DNA所包含的化學(xué)元素序號(hào);核甘酸的化學(xué)式;DNA的雙螺旋形狀;人的外形;太陽(yáng)系的組成;望遠(yuǎn)鏡的口徑和波長(zhǎng)。向球狀星團(tuán)M13發(fā)送信息的原因是其中的恒星分布比較密集，被地外智慧生命接收的可能性較大。阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡因其壯觀的外形受到影視作品的青睞。007系列黃金眼和電影《接觸》的部分場(chǎng)景是在這里拍攝的。

阿雷西博觀測(cè)站于1963年11月1日正式開(kāi)幕，從那以后，有幾千位科學(xué)家使用了它，也迎來(lái)了各種年齡各種職業(yè)的參觀者。電影明星和好來(lái)塢電影制片人也常常光顧這里，拍攝了好幾部不同題材的電影。阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡主要的研究對(duì)象是類(lèi)星體、脈沖星以及處在宇宙邊緣的其它射電源。最激動(dòng)人心的觀測(cè)成果是1974年泰勒和赫爾斯發(fā)現(xiàn)第一個(gè)射電脈沖雙星系統(tǒng)PSR191316。這是一個(gè)雙中子星系統(tǒng)，軌道周期為7.75小時(shí)。根據(jù)廣義相對(duì)論理論推算，這個(gè)雙星系統(tǒng)的引力輻射十分強(qiáng)。引力輻射將導(dǎo)致雙星系統(tǒng)軌道周期的明顯變化。泰勒教授利用阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行上千次的觀測(cè)，獲得這顆脈沖星20年的軌道周期值，證明觀測(cè)結(jié)果與廣義相對(duì)論計(jì)算結(jié)果符合得很好，終于證實(shí)了引力波的存在。泰勒和赫爾斯一起榮獲1993年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，這也成為阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡的驕傲。

1991年，天文學(xué)家沃斯贊和弗雷爾用這個(gè)望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)毫秒脈沖星PSR125712的行星系統(tǒng)，又一次轟動(dòng)科學(xué)界。這是天文學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)的太陽(yáng)系外的行星系統(tǒng)，是一次重大的突破。太陽(yáng)系空間探測(cè)和地外文明的搜索，射電望遠(yuǎn)鏡是借助雷達(dá)技術(shù)發(fā)展起來(lái)的，而雷達(dá)后來(lái)也成為直接探測(cè)天體的一種手段，發(fā)展成一門(mén)新的學(xué)科--雷達(dá)天文學(xué)。阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡配備了一臺(tái)強(qiáng)大的無(wú)線電發(fā)射機(jī)。巨大的天線具有非常高的方向性，使無(wú)線電波聚集成非常小的輻射束發(fā)射出去，定向發(fā)射可以使發(fā)射功率大大提高。無(wú)線電波碰上固體狀物體后會(huì)被反射回來(lái)，但是回波的能量很小，需要靈敏度非常高的射電望遠(yuǎn)鏡來(lái)接收。正是由于這個(gè)望遠(yuǎn)鏡的特點(diǎn)，使其當(dāng)仁不讓地成為世界上最強(qiáng)大的雷達(dá)。

1974年為慶祝改造完成，阿雷西博望遠(yuǎn)鏡向距離地球25,000光年的球狀星團(tuán)M13發(fā)送了一串由1679個(gè)二進(jìn)制數(shù)字組成的信號(hào)，稱(chēng)為阿雷西博信息。如果信息被地外智慧生命所接收，會(huì)讀到如右圖所示的信息，從上到下依次為:用二進(jìn)制表示的1-10十個(gè)數(shù)字;DNA所包含的化學(xué)元素序號(hào);核甘酸的化學(xué)式;DNA的雙螺旋形狀;人的外形;太陽(yáng)系的組成;望遠(yuǎn)鏡的口徑和波長(zhǎng)。向球狀星團(tuán)M13發(fā)送信息的原因是其中的恒星分布比較密集，被地外智慧生命接收的可能性較大。阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡因其壯觀的外形受到影視作品的青睞。007系列黃金眼和電影《接觸》的部分場(chǎng)景是在這里拍攝的。

為了觀測(cè)遙遠(yuǎn)的天體，天文學(xué)家必須要研制能檢測(cè)出極其微弱的天體射電信號(hào)的望遠(yuǎn)鏡。全世界所有的射電望遠(yuǎn)鏡在60年中所收集到所有天體射電源的能量?jī)H僅相當(dāng)于幾個(gè)雨滴撞擊地面所釋放的能量。德國(guó)埃費(fèi)爾斯貝格和美國(guó)格林班克的兩臺(tái)可跟蹤信號(hào)的射電望遠(yuǎn)鏡，口徑100米，靈敏度高、分辨本領(lǐng)強(qiáng)、覆蓋天區(qū)廣、跟蹤靈活方便，堪稱(chēng)望遠(yuǎn)鏡中的精品。但是，要觀測(cè)更弱的射電源，還顯不足。美國(guó)305米口徑的阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡的接收面積比上述兩臺(tái)望遠(yuǎn)鏡的天線要大約10倍，靈敏度提高約1個(gè)數(shù)量級(jí)，成為當(dāng)今最強(qiáng)大的單天線射電望遠(yuǎn)鏡。然而，由于它覆蓋的天區(qū)有限，其他大型射電望遠(yuǎn)鏡仍然起著非常重要的作用。