卡尔央斯基甚大阵列望远镜

比科学故事更重要的是科学精神。

年6月4日，临近午夜，远在47亿公里外的太空飞行的旅行者二号探测器，向他的母亲地球，发出了一个标志性的信号。6月5日凌晨03:40，美国宇航局的升空网络通讯系统收到了这个信号，这就意味着旅行者二号对太阳系内最遥远的行星海王星的探测开始了。旅行者二号至今仍然是近距离接触海王星的唯一探测器。科学家们计划让旅行者二号每天拍摄50张照片并发回地球。

在旅行者二号抵达海王星之前，旅行者任务团队已经经历过了五次行星探测任务，从工作流程上，他们早已经是轻车熟路。但是这每天50张照片的任务啊，仍然被整个团队视为不可思议的挑战。给旅行者任务团队带来额外挑战的原因，说起来呢，也是极为简单，那就是海王星，他比曾经我们探测过的所有行星都要远得多。

大家要知道，无线电信号的功率与传输距离的平方成反比。旅行者二号虽然拥有一个3.7米的巨大天线，但是为了节省电力，科学家们不得不把无线电发射机的功率控制在可怜的13瓦。这比我们现在一台手机充电器的功率还要小。这些以13瓦发射功率到达地球的无线电波，那几乎微弱到了无法识别的程度，而且超远的距离带来了四个多小时的通信时差，这也让数据校验变得极为困难。

一个小小的数据错误，就有可能毁掉整张珍贵的照片。为了完成好这次任务，旅行者任务团队早在年旅行者二号飞跃天王星的时候就未雨绸缪，对地面升空通信网络进行了升级。这个网络呢，是由多台射电望远镜组成，其中最大的三台口径都是64米，为了更好地接收信号，工程师们还特意把它们扩大到了70米。

但是呢，即便如此啊，旅行者二号的传输速率依然无法提高到每天传输50张照片的水平，但这个问题呢，直到一个名为韦伯的25米阵列射电望远镜的加入，才算得到了真正的解决。

那么，为什么70米的天线都解决不了的问题，靠25米的阵列射电望远镜就能得到解决呢？这还要从年开始说起，从阿雷西博到中国天眼，从西方到东方。年，美国的贝尔实验室发现，当使用十到20米的无线电波进行跨大西洋电话通信的时候，总是存在一些不可控的静电干扰。就职于贝尔实验室的年轻工程师卡尔央斯基接受了这项研究任务。

央斯基认为，想要找到无线电干扰的来源，那就必须要先做一个能够定向接收信号的天线才行，而且想要捕捉到微弱的信号，天线的尺寸是越大越好。为了达成这一目的，他用金属管和木条制作了一个长达30米的奇怪天线，它的形状，有点像是双翼飞机的翅膀。为了让这个天线能够自由地改变方向，卡尔央斯基还在下面安装了一个圆形底盘和四个轮子，只要有一个人就可以推着这个30米的大家伙自如的转向。天线接收的无线电信号会在耳机中发出嘶嘶的噪音，央斯基通过噪音的强度来寻找信号的源头。

经过一段时间的观察，央斯基就发现，当天线指向银河系中的某一个固定地点的时候，这个噪音的信号呢是最为强烈。于是啊，央视几就仔细排除了来自电力线或电气设备的各种干扰，经过进一步的观察呢，他就得出了一个大胆的结论，这些噪音呢，应该是来自于地球之外的。

好，现在呢，我们已经知道，央斯基发现的无线电波，其实呢就是来自于银河系的中心，他的这项研究呢，就开辟了一条全新的科学道路，从根本上改变了天文学家对宇宙的看法。通过央斯基打开的新窗口，天文学家就开始研究宇宙中天体的无线电发射，依靠的工具，就叫做射电天文望远镜。

无线电波的波长范围在一毫米到一百千米之间，波长大约十米的无线电波被地球大气层吸收和反射，短于一厘米的无线电波也容易被大气层吸收。所以呢，从一厘米到十米之间的无线电波就成了射电望远镜的主要研究对象。然而望远镜的角分辨率，是与波长和口径的比值成正比的，也就是说，当被研究的对象他的电磁波频率确定的时候，那么望远镜的口径越大，分辨率也就会越高。

但是，即便是厘米级的无线电波，其波长啊，也要比可见光大八个数量级。虽然，射电望远镜，常常会照到几十米的超大尺寸，在观测无线电波的时候，也只有可怜的几个像素的分辨率。射电望远镜分辨率的成像困难就成了射电天文学亟待突破的大难题。

年，英国天文学家马丁·赖尔把两根天线同时对准了太阳，再把分别采集的信号叠加，让信号发生干涉。他发现，干涉后的信号不仅提升了强度，还提升了精度。两根天线构成了一架虚拟的望远镜，他们距离越远，虚拟望远镜的口径也就会变得相应越大，这就是干涉测量技术。

当多台望远镜一起协作的时候，就构成了一个干涉阵列。加入干涉阵列的望远镜数量越多越好，距离呢，是越远越好，覆盖的频率当然也是越丰富越好。看起来啊，似乎把全球所有的射电望远镜都连在一起就是最好的望远镜阵列了，但实际上并没有那么简单。要想让大量的望远镜一起协同工作，不仅涉及到原子钟校准等复杂的技术问题，让大量的单体望远镜跟踪同一个目标也会浪费宝贵的观测时间，建造专用的射电望远镜阵列就显得非常的必要。从20世纪60年代初，美国国家射电天文台NRAO计划建造一个专用的射电望远镜阵列，来补充巨大的单体望远镜的不足。

在建造任何射电望远镜之前，首先要考虑的是它的位置。宇宙中的无线电波，那可比用于在地球上传播广播信息的无线电波弱个几十亿倍。对于射电望远镜来说呢，任何人类活动都是无法忽略的巨大干扰。美国新墨西哥州的圣奥古斯丁平原位于索科罗西北部，是一片远离城市的平坦沙漠。干旱的沙漠环境就极大地减少了水分子对无线电波的扰动。崎岖的山脉环绕着沙漠，恰好形成了一个天然的无线电屏障，让这里啊免受几百公里外城市的干扰。

这个人迹罕至、与世隔绝的地方，恰恰呢，就是射电天文学家们理想的天堂。这么好的一块建造宝地，如果不好好利用，那就太可惜了。年，美国国家射电天文台最终确定了一个前所未有的设计方案，他们决定建造27台口径为25米的碟形天线，每个天线都装备有八个不同频段的无线电接收机，蝶形天线固定在一个可以全方位转动的三脚架上，每一台的总重量都可以达到吨。

很有意思的是啊，这个三脚架并没有被固定在地面上。工程师的设计师啊，建立三条夹角为度的轨道，每一条轨道都长达21公里，两台射电望远镜之间的最远距离可以达到36公里。工程师们还设计了一台大马力的牵引车，在需要望远镜移动位置的时候，就可以用牵引车拖动这些巨大的天线，把它们放在合适的地方。不过这个射电望远镜阵列的名字啊，倒显得比较普通，就叫做VeryLargeTelescope，翻译过来呢，就是甚大阵列望远镜啊，你也可以把它翻译为很大的阵列，但是啊，它真的是一个观天神器，不仅具备前所未有的分辨率，还拥有前所未有的灵活性。

对于这个策划中的项目，那现在呢，已经是万事俱备，只等开工了。年8月，盛大阵列望远镜项目获得了国会的批准，并得到了美国科学基金会的全资赞助。年4月，工程顺利开工。

年9月，甚大阵列望远镜的第一个天线投入使用，并被用来观测五千万光年以外的处女座心细。年，第二台天线完工，并顺利完成了首次干涉天文观测。调试成功后，甚大阵列望远镜呢，就开始进入到了加速建造模式。仅仅又过去了一年，就有总计六个天线交付使用，盛大阵列望远镜开始了常规天文观测。

年第28台天线交付使用，至此呢，甚大阵列望远镜宣告正式落成。比起最初计划的27台天线，他们最终呢还多建造了一台备用天线，这样呢，就可以让所有的天线啊，轮换着接收、维修、保养，有效地保障了盛大阵列望远镜的持续工作能力。到年正式落成的时候，这个项目总共花费了万美元，那相当于今天的4.85亿美元，是当时耗资最大的射电望远镜项目。

一台望远镜的能力很大程度上取决于两个因素，就是灵敏度和分辨率。天文学家把它能够接收到的电磁波的微弱程度称为灵敏度，它所能够产生的图像的清晰度呢？这叫做分辨率。

然而灵敏度和分辨率啊，常常是无法兼得的。为了捕捉微弱的电磁波信号，望远镜需要长时间的收集信号，那这就有点像我们用照相机长时间曝光会造成画面比较模糊，噪点比较多一样，长时间收集信号的结果必然会导致最终画面的模糊。通过将天线排列成不同的形状，盛大阵列望远镜可以很好地在灵敏度和分辨率之间进行平衡。

对于不同强度的信号源，天文学家们就可以调整盛大阵列望远镜的天线间距来实现最佳的观测模式。计算机会最终整合来自27台蝶形天线的数据，生成高分辨率的图像。

盛大阵列望远镜生成的图像可以与直径35公里的大型单体望远镜相媲美。盛大阵列望远镜是世界上用途最广的射电望远镜，也是全世界第一台可以利用无线电波生成彩色图像的天文设备。

在他年正式落成之前，他已经接受了超过名天文学家提交的多个观测项目，这些项目几乎覆盖了天文学中的所有分支，它的研究成果当然也是数不胜数。我们在这里啊，只能仅举几例啊，它的成果实在是太多了，举不完。比如说，年，科学家利用盛大阵列望远镜拍摄了一张银河系中心的图像。在光学望远镜中呢，银河系的中心被大量的星际尘埃所笼罩，但是在这张照片上，我们可以清晰地看到围绕中心黑洞旋转的恒星，还有气体和尘埃组成的巨大漩涡，这也就是中心黑洞的吸积盘儿。这里啊，正是很多年前射电天文学之父卡尔央斯基用他的那台30米的天线定向对准的地方。

年，天文学家使用甚大阵列望远镜，用巡天的方式拍下了为数众多的射电源。在其中的一张照片中，科学家们发现一个遥远的类星体围绕着一个星系中心形成了多重镜像，这正是爱因斯坦在年预言的引力透镜现象。

他被甚大阵列望远镜首次证实。年，甚大阵列望远镜受邀参与了旅行者二号飞越海王星使得数据接收工作。这是人类第一次近距离观测太阳系的第八颗行星，它也标志着旅行者任务结束了对外太阳系四大行星的探测任务。

这不仅是历史上的第一次，也是最后一次。从那以后啊，就再也没有其他的航天器造访过海王星，多亏了有甚大阵列望远镜的参与啊，旅行者二号的大量珍贵的数据和图像才得以顺利的传回地球。那这也正是我们这期节目一开始发生的那段故事。

年，行星科学家计划用直径70米的格德斯通深空通信望远镜，用50万瓦的发射机，以8.5g赫兹的频率向水星发射探测信号，来观察水星表面。但是呢，水星不仅太过遥远，还距离太阳太近。经过计算啊，当时的单体射电望远镜都没有把握完成信号回波的接收任务，最后还是靠盛大阵列望远镜的加入，不仅圆满完成了任务，还未水星拍摄了清晰的雷达波反射图像。

年，盛大阵列望远镜为了提升自身的探测能力，他开始了一次持续彻底的设备升级工作。在后来的十年中，几乎所有的电子设备都被更换了一遍。升级完成的盛大阵列望远镜的灵敏度啊，那是提高了十倍，每个天线产生的数据量也达到了过去的倍。这可以说是一次脱胎换骨的变化。美国射电天文台的工作人员吉姆康登说，经过十年的升级，甚大阵列几乎可以识别出所有来自银河系以外的射电源。以前从背景辐射当中识别出如此微弱的信号是不可想象的事情。

为了纪念甚大阵列这种脱胎换骨的变化，工作人员就认为，有必要要为甚大阵列望远镜起一个响亮的新名字，他们随后呢就向全社会公开征集新名字的愿望。就这样，在年的3月31日，管理团队宣布了正大阵列望远镜的新名字，他的新名字就叫卡尔·央斯基甚大阵射电望远镜。

时隔80年之后，射电天文学的先驱与先锋终于在这里实现了虚拟的握手。年9月，卡尔·央斯基甚大阵射电望远镜的巡天计划启动了。这项巡天计划将会持续七年时间，观测时间将会超过个小时。期间，阵列望远镜会三次扫描80%的天空，每次扫描的间隔是32个月。天文学家们希望通过这次巡天任务，可以发现一千万个新天体，这个数量将是目前已知天体数量的四倍。

美国射电天文台承诺，所有的巡天数据都会在完成观测后的几个星期之内就公开出来，供全世界的天文学家使用。截止到年的3月10日，第二次天空扫描的数据已经发布了出来。虽然这个巡天计划仍然在继续，但他已经成为有史以来最完整、最详尽的天体无线电发射源地图。

天文学家们可以根据这份地图分辨出可见光望远镜中被尘埃云隐藏和遮挡的真相。可能在未来很长一段时间里，这些数据都将持续对超新星、中子星以及超大质量黑洞的研究提供帮助。

如果有一天你有机会沿着美国60号公路从索科罗向西行驶，你会看到绵延的山脉环抱着平原，为这条漫长而空旷的道路指引着方向。在公路的两边，你很可能会遇到鹿、羚羊和自由漫步的牛儿，看不到任何一个人。

但是你无需怀疑，这里一定是地球上最让你感到神奇的地方之一。不仅仅因为这里有洁净的天空和迷人的风光，更因为这里有27座巨大的天线，他们每隔一段时间就会变换阵型，他们就像是全人类的忠诚哨兵，在巨大的荒原上默默倾听着来自宇宙最深处的回响。

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