德文格洛射电天文台的新生

时间:2022-09-12 06:19:56

业余爱好者们正在使一台退役的世界级射电望远镜起死回生,使它能够继续为科学研究和公众科学宣传服务。

暮色渐浓,阴沉沉的天空越发昏暗,此时,一般的“观星晚会”肯定要取消了。虽然连日来,云层和雾霭始终笼罩在荷兰乡村的整齐农田和野生石南花上,但是有些天好者却始终毫无忧色,因为他们在使用德文格洛(Dwingeloo)望远镜——世界上最大的业余射电望远镜。与光信号不同,射电信号可以自由地穿透浓云,就像没有云层一样。

在荷兰,这台望远镜的操作员兼教育协调人Harm Munk介绍道:“你现在听到的是脉冲星B0329+54。这个天体是夜空里最明亮的射电源之一,每0.71秒自转一周——对于脉冲星来说,这是很慢的速度。”一台计算机屏幕就像心电图监视器,实时显示着永不间断的脉冲星信号的强度。

Munk把目标移向另一个射电源,这架口径约25米的碟形天线继续监视着天空,就像半个多世纪以来一直所做的那样。它一度是世界上最大的射电望远镜,尽管近十年来面临着从专业天文学家那里退役后缺乏维护保养的问题,但是业余爱好者现在接管了它。德文格洛的故事,向我们讲述了业余射电天好者的首创精神和一个国家的科学史。

荷兰射电天文学的诞生

荷兰地处欧洲,是一个地势低洼、多阴雨的国家,没有建造光学望远镜的理想台址。所以,从射电天文的诞生之日起,大力发展射电天文就很自然地成为荷兰的唯一选择。荷兰天文学家奥尔特(Jan Oort)早在上世纪40年代初就意识到了射电波的巨大潜力。与可见光不同,射电波能够穿透遮掩银河系大部分区域的宇宙尘埃以及地球大气的云层,从而揭示出银河系的基本结构。

奥尔特对于测量银河系自转特别感兴趣,但是为此需要一条可以贯穿银河系的谱线,以测量气体云的速度。随着气体云向地球靠近或远离,多普勒效应会使其电磁信号的波长变短或变长。当另一位荷兰天文学家Hendrik van de Hulst计算出中性氢原子可以释放出1420兆赫兹(波长21厘米)的谱线时,就为他自己和奥尔特以及之后的许多天文学家找到了—种测量银河系自转的工具。

尽管第二次世界大战拖延了他们的工作,但战争刚结束,奥尔特和van de Hulst就用一架德国的旧雷达开始了观测。这是关于银河系自转的首批测量工作之一,并在1954年公布了结果。但很快他们就清楚地知道,要想得到更好的观测结果,就需要新的、专用于射电天文学的设备——于是就有了德文格洛射电天文台。

这座天文台以附近的德文格洛小镇及其所在的Dwingelderveld国家公园而得名,1956年开始观测,当时它是世界上最大的射电望远镜。尽管一年以后,其口径就被其它望远镜超过了,但是直到上世纪90年代,它仍然保持着很高的科学产出。天文学家们用它测量了银河系的旋涡结构,以空前的清晰度进行了射电巡天,并发现了两个距离我们只有1千万光年的星系——银河系的尘埃遮挡了它们的可见光——后来被命名为“德文格洛1和2”。

德文格洛成了荷兰射电天文学研究的中心。荷兰射电天文学研究所(ASTRON)和欧洲甚长基线干涉测量联合研究所(JIVE)的总部也设在Dwingelderveld国家公园,距离望远镜只有一箭之地。还有两个新的射电望远镜阵位于几千米之外:韦斯特博克综合孔径射电望远镜(WSRT)建于1970年,拥有14架天线,每架的口径都和德文格洛一样;另一个是低频阵(LOFAR),这是目前世界上最大的望远镜阵,于2010年正式开放。LOFAR的20000架天线散布在法国、德国、瑞典和英国,但它的几个核心站址就设在距离德文格洛仅32千米左右的Exloo村附近。

1998年,陈旧的德文格洛望远镜再也无法赶上现代射电天文学的发展步伐,不得不选择退役。它被闲置了好几年,当时,废金属回收价格太低,根本不值得拆卸。2005年1月,有两位无线电爱好者,Robert Langenhuysen和Maarten Dijkstra,他们想到,是否可以将它用于业余天文学呢?他们和其他志同道合的爱好者一起建立了C.A.Muller射电天文站基金会(CAMRAS)来运营和维护这台望远镜。ASTRON同意将望远镜以象征性的便宜价格出租给CAMRAS。基金会还为添置新仪器、翻修望远镜找到了赞助。最终在2007年,德文格洛望远镜在CAMRAS的管理下重新开始运行。

获得新生

业余爱好者用45厘米天线就可以聆听到来自太阳的声音,而使用3米天线则能够听到银河系的21厘米谱线的嘶嘶声。但是与德文格洛的CAMRAS项目相比,这些小型项目就显得太简单了。CAMRAS主席Andre van Es表示:“能有这样难得的机会,我们非常地幸运。仅仅是天线口径就足以让我们的能力堪称出类拔萃。”

在德文格洛望远镜可以倾听射电天空之前,CAMRAS团队首先要给它安装接收装置,而且是从头做起。这个过程包括建立指向参数、提高仪器灵敏度、减少接收器的内部噪声,甚至还要处理附近的偶然射频干扰。现在,CAMRAS的操作员可以锁定银河系内任何一处的快速旋转的脉冲星,或者监听上百万光年外的射电星系。

北半球天空的一些脉冲星相对容易观测,它们有着时钟一样的规律信号,最受业余爱好者和公众的青睐。天鹅座A和室女座A等射电星系的信号则很不规则,它们是由超大质量黑洞射出的相对论性(接近光速)粒子喷流产生的。德文格洛望远镜当初的目标是绘制银河系中性氢的多普勒巡天图像,CAMRAS团队也进行了这项工作。

爱好者Daul Boven经常进行观测,他说:“我们的望远镜非常灵敏,能够绘制出仙女星系中偏离星系中心不同角度的氢元素的旋转图像。从旋转曲线上,你可以看到仙女星系的哪一部分朝着我们运动,而哪一部分又在远离我们。”

这架望远镜的成功并不仅仅归功于业余爱好者,公众也是不可或缺的。天文学和技术的教育是CAMRAS项目的重要组成部分。Munk说:“我们接待各个年龄段的学生来参观,作为班级活动;或是在少女节这样的场合激发女孩子对科学的兴趣。我们经常和这些青少年群体一起观测脉冲星,在意识到听见的是什么以后,孩子们会感到非常惊奇。”

CAMRAS团队也在观测英仙座流星雨等主要流星雨,倾听所谓的“流星散射”,这是远处的无线电广播被流星的电离尾迹反射而产生的声音片段。

除了天文观测,CAMRAS团队还与一些业余无线电爱好者分享设备,他们每月都以PI9CAM为呼号使用德文格洛望远镜一次。他们进行地球-月球-地球(EME)无线电反射传输,就是利用月球反射无线电波,以此和世界上其它地方的无线电台进行通讯。现在,CAMRAS的办公室墙上已经贴满了来自遥远的巴西、加利福尼亚,甚至澳大利亚的无线电台确认卡。CAMRAS团队还曾经帮助一位意大利艺术家Daniela de Paulis展示绘画艺术,她用月球反射传送了一些与天文相关的图片,这是历史上第一次通过月球反射传输彩色图像。

未来的挑战

修复天文台的工作也遇到过很多困难,例如寻找具有无线电技能的人员。Boven建议说:“对于希望着手进行类似的射电天文学项目的人,我建议最好联系当地的无线电爱好者俱乐部。他们才是真正掌握电子技术的人,能让这样的项目变为现实。”为了对老旧的大型中继通讯天线进行再利用,在德国和爱尔兰已经出现了为数不少的社团,这些天线现在都已过时,很多都被废弃了。Boven说,虽然这些天线并非全可动的,但是对于业余射电天文学而言,仍然有很大的潜在利用价值。

对于CAMRAS来说,一个更严重的问题是望远镜的老化。天线开始生锈已经好几十年了,严重到了当站在天线下方时必须戴安全帽,以防螺栓和其它部件掉落的事故。幸运的是,荷兰政府于2009年确认了德文格洛天文台的历史重要性和科学贡献,宣布将其认定为历史遗迹。因此CAMRAS和ASTRON可以为它申请修复资金,修复工作已于2012年6月6日开始。van Es说:“我们正在从地基上抬起整个天线,逐个修复严重锈蚀的零部件。整个修复过程将持续约一年。”

修复工作将为子孙后代保留下天文学历史中的一个重要片段。最让人激动的是,德文格洛天文台还将继续作为一个活跃的科学设施去探索太空。CAMRAS的成员们让这架老旧的设施获得了新生。

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