擁有 Arecibo 望遠鏡的觀測經驗是怎樣的體驗? | 知乎問答精選

 

A-A+

擁有 Arecibo 望遠鏡的觀測經驗是怎樣的體驗?

2018年07月01日 知乎問答精選 暫無評論 閱讀 8 ℃ 次

【王力樂的回答(254票)】:

我要飆圖了!你們大概可以想像,一個從小扛著小望遠鏡到處跑、為了買一台好點兒的天文望遠鏡能和老媽一起把一個 30 kg 的包裹從南京扛回家(怕被托運摔壞,主鏡體還是好說歹說後被帶上了飛機)的天文愛好者竟有一天能親手操縱世界上最大的望遠鏡時會有多麼激動。

講真,我不相信題主沒有動過 Arecibo……

我正好是三年前、本科畢業前不久去的 Arecibo——還是跟題主老闆一塊兒去的。只是,我目前不再有太多的機會接觸射電,當時學到的知識似乎只有在給本科生小朋友講課的時候能派上點兒用場了;當然,說不定對自己的 General Exam 也能有點兒用。

去那兒的緣由是去看 Planck core 的 21 cm 譜線的窄自吸收(題主應該懂的…… 你老闆的成名作,好像是 Li & Goldsmith 2003 吧)。因為這次觀測,敝人與貴組結下了不解之緣,也為敝人坑李老師(題主老闆)提供了充足的機會(比如跟他騙了不少小禮品啥的,包括一副 TMT 的墨鏡;這墨鏡給我爸戴了,但現在自己有車了,後悔著呢)。在 LBL 實習的時候,敝人還去了一趟 Columbia 跟 Josh Peek 學 GALFA 的數據處理,但後來我被宇宙學項目的後續事情給埋了,只好將這個技術教給別人(具體地說是左沛姐姐……)。

若這個回答有幸能被一些看官看到,就請允許我做些名詞解釋:

波多黎各:首府聖胡安,美國的一個自由邦(2012 年 11 月公投後決定併入美國,但是美國本土這邊兒好像一直沒動靜),是一個南北寬 80 km 東西長 180 km 的小島,位於加勒比海和大西洋的分界處附近,度假勝地(最後一點很重要!)

Arecibo:波多黎各島的中西部的一個小鎮,以 Arecibo 天文台聞名於世。

Arecibo 天文台:全世界最大的單天線射電望遠鏡(在貴州的 FAST 建成之後,它將退居第二),口徑 300 m;無數重大科學發現的主角(包括 1993 年諾貝爾獎所授之成就),電影《超時空接觸》主要道具(圖片摘自 Wikipedia;我們當時還沒有能力拍攝這種全景)。天線本身是固定在地面上的,隨著地球的自轉、公轉,望遠鏡的中央指向會移動;再加上中間那個鋼架平台上吊著的那個接收端的移動,我們便能用這個望遠鏡觀測天球上不同位置的天體(當然,可觀測範圍是相當有限的,畢竟是固定式天線)。

氫的 21 cm 譜線:眾所周知,氫原子由一個質子和一個電子構成。質子和電子的自旋方向可以相同也可以相反,相同時能量較高。質子電子自旋方向相同的氫原子可以發射一個光子變成自旋相反的,自旋相反的則可以吸收一個光子變成自旋相同的;這兩個過程中,吸收或發射的光子,所對應的電磁波的波長,大約是 21 cm;對應的頻率,大約是 1.4 GHz。21 cm 的一半大約是 10 cm——如果下雨,但雨滴的長度不長於 10 cm,那麼觀測還是可以照常進行的,更不用說陰天了。

至於所謂的窄線自吸收……雖然也能說,但是怕說錯啊。題主是專家,你們問他去。

廢話半天了,上圖。

俗套的灰雞們…… 國內沒有直飛聖胡安的航班,只能從大城市轉機,比如芝加哥。AA 的 77B(B777-200ER)雖然是一排九座,但中間那一列有 5 個座位,甚是憋屈……

因為頭一晚有事兒沒睡著,第二天在到芝加哥的飛機上就吐了…… 然後,從芝加哥到聖胡安的飛機上,因為降落時候的顛簸,我也吐得七葷八素(我是直到自己開始學習飛行才真正克服暈車暈船暈飛機的毛病的),把飛機餐全都吐出來了…… 下飛機之後,我趕緊買了個 Subway 充飢。

從聖胡安到 Arecibo 的交通是依靠汽車的。當時是李老師開的車(在這種高速公路上開車真是…… 舒坦):

波多黎各的高速公路,是用英制和公制兩套系統同時標注的,這一點與美國本土不一樣。李老師開車比較猛,於是我又半死不活地吐了一路(當時我自己還沒有駕照),把在機場吃的那個 Subway 又給吐出來了…… 但路邊的熱帶風情,還是令人印象深刻。

拐進上圖那家 Ferreteria Orly 餐館旁邊的一個路口,我們就進入了叢林中的小路。一路上,燈桿和電線桿上間或可見天文台的宣傳,許是用於招徠遊客?這真是大可不必了。

吐了 27 小時之後,到達住地。我們當時的住宿標準,是訪問學者中心一人一個套間吧,套間內的設施還是挺不錯的,而且價格巨便宜,一個星期只要三百美刀——雖然,在這裡的經費被削減之前,天文台方面是單方面承擔所有來台觀測(當然,首先,你的觀測建議書得被審核通過)的天文學家的食宿的;不過,考慮到這個套間的環境,比如這等的寬敞:

比如陽台上能看到這樣的朝霞:

以及套間附近的野柚子、木棉樹和野花:

…… 那個價格其實還是相當便宜的有木有!…… 那個價格其實還是相當便宜的有木有!

休息一夜之後,我們去到控制室進行觀測。台站方面給我們安排的觀測時間都是下午,正好在每天中午一點例行的的那場大雨之後。上台之前,先去瞅瞅那些控制設備們:

因為觀測腳本已經預先寫好,所以我這個射電的門外漢也能很快上手——我所需要做的,就是通過計算在特定天體列表中挑選出我們所能觀測的,然後點按鼠標選擇就好。我們會用新鮮出爐的數據作一些監控性的圖,但主要的數據處理還是得等回去再說。

需要注意的是,接收端(這裡就不用「backend」或者「feed」的說法了,以便科普——就是那個「小」穹頂)的移動,是依靠「旋臂」(那個弧形的架子)的旋轉加上接收端的滑動實現的;如果被觀測物體的軌跡中有過於接近天頂的地方,則旋臂將在該天體上中天時過快旋轉,很有可能會損壞機器。所以,事實上,Arecibo 望遠鏡的可觀測視野,是離當前天頂 5 到 30 度的一個「圓環」。

(從評論區搬點兒東西上來)(從評論區搬點兒東西上來)

其實,操縱這個世界上最大的望遠鏡,跟一個業餘天文愛好者做的區別也不大——當然,前提是你的鏡子是裝在帶電動跟蹤的地平台架上的;尋彗的和用赤道儀的則是另一套做法了。地平台架的問題是,哪怕跟蹤完美,被觀測天體的像會有旋轉。不過,Arecibo 離赤道夠近且也只能看天頂附近的東西(因而旋轉帶來的麻煩很小),再加上後期處理軟件中會有對幾何上的扭曲的修正(後期的數據處理 routine 是 Josh Peek 的博士論文項目啊…… 這種東西對他來說確實是小意思),所以我們不用擔心這個問題。

首先,我們有一個列表,上頭是待觀測的 Planck Core(看 CMB 的 Planck 衛星的一些 foreground),以及它們的 RA 和 Dec(赤經和赤緯)。其次,我們有當地恆星時(在上圖左上角那個黑色背景的顯示器裡)。然後,通過這倆,就可以計算出有哪些源會通過可觀測區域。開始時,我寫了個腳本來進行相應計算,工作正常,但總覺得不夠直觀。過了一陣子,我乾脆把相關數據輸入 Stellarium(就是那個開源免費的星圖軟件),再以肉眼目測的方式進行選擇,效果拔群。定下要看的東西之後,在控制用機器上選定那個源,點 slew,它就會把接收用的穹頂給轉到該去的位置。旋轉的過程和當前接收端的位置狀態,可以從上圖左上角那個黑色背景顯示器右上角的示意圖中讀取(最外的圓形是能夠得著的最大範圍,中間的三角對應著那個三角形鋼架,「直徑線」是「旋臂」,線上的兩個點分別是穹頂狀的接收端和長桿一般的的線狀饋源的位置)。然後開始用「編織籃子」(改進版的逐行掃瞄——因為 GALFA 有六個「像素」,所以掃瞄的時候有重疊,編籃子的過程也會簡單一些)的方式「掃瞄」待觀測源和它周圍的一片區域。在這個過程中,GALFA 是一直在輸出數據的,所以要記錄一下從什麼時候到什麼時候看了什麼東西、掃瞄速度、跟蹤模式 etc,後期時要通過這個選定有效範圍(最基本地,總得把 slew 過程中的徑跡上所記錄的數據扔掉,也得知道編出來的每個「籃子」對應了哪個東西)。

接收端上其實有很多不同種類的接收機,用於不同的觀測需求,特別是不同頻率下的觀測;穹頂裡頭有一個「旋轉台」(他們叫「旋轉地板」),用於切換接收機。第一天觀測時,當我們打算把 GALFA 轉到接受位置時,「旋轉地板」…… 罷工了!我這才意識到,這真的是一個修建於上世紀 60 年代末的工程奇跡——英雄暮年,也難免氣短啊。天文台的工作人員旋即乘坐吊艙式的單人小纜車上去排障;我們本來想蹭那個纜車坐坐,但被他們拒絕了;上去之前,他們說,「We are the expendables, you are the scientists, it is too dangerous for you.」——還真有點兒大無畏精神呢。不過,他們告訴我們,第二天上午,望遠鏡將例行停機檢修,到時候我們可以去到焦點處(就是被吊在半空中的那個平台上)看看。

賺大了有木有!

在慣常見到的關於這個望遠鏡的圖中,整個系統小得如同玩具。等真的踏上那個聯結焦點平台和周圍陸地的吊橋,你才能感覺到,這個東西是被懸吊在幾百米高的半空中的。時任台長把他的女朋友也帶上了,與我們一同參觀;一路上,那個姑娘一直小臉煞白,緊緊攥著她的微單,一張照片也沒拍……

以及那個焦點平台真的很大。這樣一個能讓你爬上爬下的鋼架平台(下圖中的台階高大約是 40 cm),生生地被三組鋼纜吊在半空中。

跟著嚮導,在這懸空的「遊樂架」上攀爬了十分鐘上下,我們鑽過了這個極窄的空隙(這是旋臂的旋轉樞軸附近的空隙):

開始向穹頂進發。圖中那個青藍色衣服的男子,是一個把一生都奉獻給這裡的天文學家;他已經衰老到有些顫抖了,但仍然興致勃勃地帶著我們參觀,讓幾個中國來的客人好好看看這他奉獻了一輩子的至愛(按他的原話轉述)。

從穹頂上的一個窗戶看一旁的線狀饋源(一種特殊類型的接收機;球面狀反射面本不能完美聚焦,但這個接收機通過一種簡單而巧妙的構思解決了這個問題):

穹頂內側,貼著望遠鏡的次級和三級反射面。這些特殊形狀的反射面也(一定程度上)是為了完美聚焦而設計的。若有幸能進到此處拍照,請記得打開閃光燈,你會看到所有的鉚釘閃閃發亮:

一個用於 Pulsar 觀測的接受機(下方上圖,遠處還能看到偶極天線),以及用於觀測氫的 21 cm 譜線的 GALFA(下方下圖):

穹頂在主反射面上投下的影子:

拍完照,我們去幫了會兒工(也不知道是不是幫倒忙…… 畢竟我們不是玩兒儀器的人),就開始返回了。在遊客接待中心那兒的遊人們看到吊橋上有人,開始向我們呼喊招手:

下午還有觀測任務,不能流連於此。回控制室的路上,拍到個變色龍:

再來看一眼吧(下圖右側的那個吊橋就是剛才所說的吊橋):

第四天下午,當我興致勃勃地玩兒著望遠鏡時……

老闆硬要抓我出去玩兒,說剩下的東西都被自動化了……

於是就有了這些照片,比如島西部的 Camuy River 國家公園(其實是個溶洞,「地下河」…… 貴州出來的人,看這玩意兒肯定不新鮮了):

溶洞裡頭有很多叫做 Coqui 的蛤,叫聲跟鳥一樣,算是波多黎各特產(保護動物!不要想多),奈何沒拍著…… 圖片來自 Wikipedia:

比如島東部的 El Yunque(「雲雀」?)國家公園,這是一個可以開車遊覽的森林公園:

以及不知名的海灘:

還有聖胡安古城裡的古堡(那個婚禮是真的,他們沒那麼無聊的「旅遊項目」):

可惜,在美帝安頓下來之後,我差不多全部精力都用在 AGN 外流之類的項目上了,沒有機會帶著魚眼鏡頭再去一次。

廢話雖多,但這就是體驗吧…… 我自信沒有怎麼偏題。在一個度假勝地觀測,又有李老師那麼好的老闆,你能克制住自己出去玩一下的慾望?反正我是克制住了,我是被老闆拉著去玩兒的,不怪我……

才注意到問題是「擁有 Arecibo 望遠鏡的觀測經驗是怎樣的體驗?」…… 好吧,我果然又歪樓了。這個觀測的經驗,最大的作用在於,本科畢業評葉企孫獎(差不多就是敝清物理系的優秀本科畢業生獎)答辯時,一個評委(評委都是教授或者系友)不知怎地就跟我扯上了 Arecibo 的觀測這個話題(她還不是做天體物理方向的……),於是就談笑風生了,後面給獎也就沒啥懸念了……

【羅一覺的回答(2票)】:

指揮官,我們已攻佔波多黎各天文台,但是我們的工程師被您空投的彈藥箱砸死了~

標籤:-天體物理學 -天文學 -望遠鏡 -射電天文學 -X是一種怎樣的體驗


相關資源:





給我留言