作者：汤振凡 & 汪诘
让 NASA 及全世界刮目相看
1969 年 7 月 21 日，一场罕见的暴风袭击了澳大利亚东南部的小镇帕克斯。这里已经很久没有下雨。110 千米/小时的强风卷起了地面干燥的沙尘，形成了遮天蔽日的沙尘暴，把正午时分的帕克斯镇笼罩得如同黑夜一般。
在整个帕克斯小镇里，最高大的建筑物莫过于一台 64 米口径的射电望远镜，这就是以小镇名字命名的帕克斯射电天文台。
此时，这台望远镜的伞形天线正在狂风中摇曳，发出恐怖的吱嘎声。
在巨大天线底部的控制室内，5 名天文学家正严阵以待。他们不仅要想办法确保射电望远镜的周全，还要准备完成一件从来没有人完成过的任务——完成一次月球直播。
“月亮还要1个小时才能升起来，如果到那个时候风还不停，直播就泡汤了。”负责操纵望远镜的人，名叫尼尔·福克斯·梅森（Neil 'Fox' Mason），此刻的他神情严肃，目不斜视。
图：梅森（Neil 'Fox' Mason）
狂风从东边吹来，那正是月亮升起的方向。直径 64 米的大伞正对着 12 级的狂风，后果可想而知。但是，在 38 万千米外的月球上，宇航员阿姆斯特朗已经穿好了宇航服，正准备给太空舱减压。
“这是人类的里程碑。无论如何，我们都要尽力完成这次任务。”说话的是帕克斯天文台的主任约翰·博尔顿（John Bolton），正是他与美国宇航局签下合同，坚定地支持了登月直播计划。
图：John Bolton（左）在阿波罗11号任务的控制室
当月亮在地平线上缓缓升起时，风力减弱了一些，但仍然不符合望远镜的安全运行标准。巨大的天线缓缓转向东方，向全球 6 亿人开始了具有历史意义的直播。
其实，负责直播的射电望远镜并不只有帕克斯这一台。位于美国加州的戈德斯通深空通信中心和位于堪培拉的金银花溪射电望远镜也参与了任务。但是，帕克斯望远镜提供的直播信号质量远远超越了另外两个跟踪站，这让NASA全程都使用了帕克斯提供的直播信号。
动图：帕克斯捕捉到的阿波罗11号登月轨迹
在上世纪六七十年代，美苏争霸时期，一讲到与太空探索有关的设备，普通人往往认为它们不是前苏联就是美国的，可能完全想不到澳大利亚。那么，这台帕克斯望远镜又是何方神圣，居然能在如此恶劣的风暴天气里，还能提供远超过其他望远镜的清晰信号呢？这就是我们今天这期节目的要给你讲述的故事。
图：阿波罗计划期间，帕克斯的操控室
艰难建造
二战期间，雷达技术因为战争的需要而得到快速的发展。澳大利亚的雷达研究，开始于一个名叫无线电物理实验室的机构。
在二战期间，澳大利亚联邦科学研究局建立了这家机构，进行秘密的雷达研究。到了上个世纪 50 年代初，无线电物理实验室已经发展成为最大、最多样化和最成功的研究机构。这也是澳大利亚的科研机构唯一一次在新学科中实现领跑。
在那个时代，雷达与射电望远镜，几乎就是同义词。最初的射电望远镜，也常常直接使用废旧雷达上拆下来的旧零件。这些临时拼凑的射电望远镜虽然粗糙，但却成功发现了银河系之外的大量射电源。这为大望远镜的设计制造，提供了非常宝贵的经验。
塔菲·鲍文（Taffy Bowen）是无线电物理实验室的主任[1]。当年，他因为发明了能够安装在战斗机上的小型雷达而成为这个行业的顶尖专家。但是，全世界的射电天文学都在发展。澳大利亚要想保住自己的领先地位，只靠这些拼凑出来的旧设备肯定是不行的。他们需要世界上最好的望远镜。
图：塔菲·鲍文（Taffy Bowen）
不过，从事射电天文学研究与制造小型雷达最大的不同，就是不仅不赚钱，还要烧钱。目光短浅的澳大利亚政客，宁可花钱研究怎么剪羊毛，也不想把钱花在望远镜上。
好在塔菲·鲍文在美国科学界有很多影响力非凡的朋友。他利用个人关系和澳大利亚尚存的技术优势，说服了卡内基公司和洛克菲勒基金会为澳大利亚的大望远镜投了一半的资金。来自美国的支持，让当时的总理罗伯特·门泽斯（Robert Menzies）勉为其难地批准了剩余的资金。
图：帕克斯建造时的图像
从 1954 年立项开始，到 1961 年 10 月 31 日落成，帕克斯望远镜的设计建设整整花费了 7 年时间。澳大利亚完全没有捐助科学设备的社会传统，帕克斯望远镜至今仍然是澳大利亚最伟大的科学工程。可以想象，在这7年里，这项工程遭遇了多少阻力和非议。但很快，它就用一个重大的发现证明了自己的价值。
类星体
在帕克斯建成之前，人们已经发现了一种神秘的射电源。它们中的一些在可见光波段也被探测到了。光学上它们呈现为天空中的一个点，所以它们不是星系。但利用光谱探测却发现，它们拥有和普通恒星完全不同的光谱。人们为这类神秘的天体取名为类星体。就是说它们看上去像恒星，但似乎又不是。
研究神秘的类星体相当重要的一步，是把光学的源，和射电的源在天空中精确对应上。因为光学望远镜一般分辨率更好，而且能看到的点源更多。所以射电望远镜给出的定位区域里，会有太多光学的可匹配选项，无法直接对应。找不出光学对应的源，也就没法进一步拍光谱来研究它们。
这时候一些天文学家想出了很妙的方法。虽然射电望远镜本身的空间分辨率不足。但是通过月球掩食一些类星体的过程，可以计算出它们更准确的位置。因为月亮的运动是非常规律的，而类星体在天球上的位置相当于静止。计算遮掩的时间差，再根据月球当时的位置就能反推出这些类星体的位置。
196 2年，两位天文学家哈泽德（Cyril Hazard[2]）和博尔顿（John Gatenby Bolton[3]），利用帕克斯望远镜，观测了类星体3C 273的5次月球掩食过程。由此给出了一个极小的定位区域。
另一位天文学家马丁·施密特（Maarten Schmidt[4]）使用这个坐标，成功地找到了3C 273的光学对应体，并测量了它的光谱。
正如人们之前发现的，这些天体的光谱与恒星截然不同。施密特面对 3C 273 令人迷惑的光谱陷入沉思。天体的光谱中常常会出现不同元素的发射线，谱线信息就像是天体的身份证。但 3C 273 的谱线看起来却难以分析出来自什么元素。
深思熟虑后，施密特大胆地提出，光谱中几条明显的发射线来自于氢。这是其他人之前不太敢设想的，因为那意味着它的光谱存在 16% 的红移。红移主要是由宇宙膨胀造成的，星体距离地球越远，产生的红移现象就越是明显。经过测算，能产生如此巨大的红移现象，意味着 3C 273 距离我们有 24 亿光年的距离！类星体一下子成为了当时已知最遥远的天体。
距离还不是最让人吃惊的，这么遥远的距离，还能有如此清晰的信号传到地球，类星体中蕴含的恐怖能量，让所有科学家都感到惊讶。这一发现立即轰动了科学界。类星体也因此被誉为二十世纪天文学的四大发现之一。马丁·施密特也因为这个成就被时代周刊放上了封面。而参与这一重大发现的帕克斯望远镜，当时才是一个一岁的婴儿。
阿波罗计划
帕克斯望远镜的设计非常成功，这也让它成为了后续望远镜争相学习和复制的对象。不过，虽然帕克斯望远镜一直在被模仿，却从未被超越。
1969 年 7 月 16 日，阿波罗 11 号载着三名宇航员飞向月球。
4 天后，宇航员阿姆斯特朗和奥尔德林驾驶着鹰号登月舱降落在月球表面，他们将在这里，向全世界直播人类首次踏上月球的震撼画面。
首当其冲地承担了地月信号转播重任的，是一架名为戈德斯通深空通信望远镜的设备。这台望远镜位于美国加州，由美国宇航局设计，听它的名字也能知道，它就是为了进行太空通讯而建造的。
戈德斯通望远镜口径70米，比已经属于巨无霸的帕克斯望远镜的接收面积还足足大了20%。但是，作为备选转播站的帕克斯望远镜，即便面对着沙尘暴的袭击，仍然在信号质量上完胜了位于美国加州的对手。这正是节目开头时发生的故事。
图：阿姆斯特朗踏上月球时的心跳信息，最终由帕克斯接收到
帕克斯望远镜之所以能战胜比它口径更大的对手，与它更加灵敏的接收设备是分不开的。由于拥有小型高精度雷达的设计经验，帕克斯望远镜的设计者塔菲·鲍文非常重视接收设备的灵敏度，这也成了帕克斯望远镜谱写不老神话的关键。
后来，帕克斯望远镜又多次参与了宇航项目，其中就包括了著名的伽利略号木星探测任务和卡西尼号土星探测任务。
脉冲星
除了服务宇航，帕克斯望远镜观测的很重要的一类天体，叫做脉冲星或者中子星。
如果说黑洞是宇宙中怪物排行榜第一的天体，那么中子星可能就排在第二。当一颗恒星内部几乎所有的原子都在超新星爆炸中塌缩。外层的电子与核内的质子结合成中子，原本相聚遥远的原子核突然挤到了一起。这时一个太阳质量的物质，就会变成一颗直径只有十公里的中子星。在这样的密度下，一勺子的物质就有地球上一座山的质量。如此小的尺寸可以让中子星以秒为单位高速转动，并爆发出以自转为周期的稳定脉冲辐射。所以它们中的一些也得名脉冲星。
中子星的环境非常极端，有关它们的一切都令天文学家着迷。帕克斯就在这一领域中功勋卓著。截止目前，人类一共探测到了约三千颗脉冲星。而这其中近三分之二，是帕克斯望远镜探测到的！帕克斯可谓是脉冲星研究中扛把子的存在。
快速射电暴
听到这你应该会同意，帕克斯是一位功勋累累的科学老兵了。但我们也知道，岁月从来不对老兵宽容。
2001 年，帕克斯望远镜即将迎来它 40 岁的生日。40 年的风吹雨打，让它巨大的网状碟形反射面锈迹斑斑，彻底失去了当初的光泽。支撑巨大天线的橙红色塔座，就像一个伫立在平原上的老磨坊，在经历了时间的洗礼之后，已经失去了当年的时尚和科幻的视觉感受[5]。
不过，这一切都是假象。表面的锈迹并不会明显影响它的工作，他并没有变得迟钝，相反，如同40年前一样，此时的帕克斯望远镜正陪伴着天文学家，聆听着来自宇宙深处的信息。
付出总有回报。7 月 24 日这天，一个惊人的天体信号被帕克斯望远镜捕捉并记录了下来。这个信号只有短短的几毫秒，短到当天使用帕克斯望远镜的科学家也没有意识到它的重要性。但它将在 6 年后开启天文学的一个全新领域，并从多个角度推进我们对宇宙的认知。
2007 年，天文学家邓肯·洛里默（Duncan Lorimer[6]）在对 6 年前的数据进行新的搜寻时，发现了一个之前从未见过的信号。
图：洛里默
这个信号和脉冲星的信号有很多相似之处，它们都是 G 赫兹频段的毫秒级脉冲。可它们也有不同。星际空间中的等离子体会让不同频率的电磁波略微偏离真空中的光速。这导致，远处天体同时出发的不同频率的射电信号，到达地球的时间不同。测量这个到达时间差，就可以反推这些信号穿过了多少等离子体，同时也意味着走过了多远的距离。
而这个神秘的信号推算出来的距离表明它不在我们的银河系内，这与之前的脉冲星完全不同。
图：快速射电暴信号，不同频率的信号到达时间不同（色散现象）
我们所在的宇宙广袤无垠，星系在宇宙中往往距离遥远。如果我们把恒星比作湖里的鱼，那星系就是一个个大湖。湖与湖之间的距离，总是远大于湖中鱼和鱼的距离。所以和类星体一样，一旦天文学家发现它们和我们不在一个星系，就同时意味着它们拥有遥远的距离和极高的能量。因此天文学家形象的给这类现象取名为快速射电暴。
但 2007 年，帕克斯已不再是当年傲视群雄的存在了，在建成的四十多年里很多新的竞争者登上了舞台。帕克斯的这个新发现没有立刻被学界接受。当然，孤例不证也是科学界的惯例。可接下来更雪上加霜的是，似乎一些人为的信号也能长得和快速射电暴一样。随后的研究发现，这些人为信号来自于观测站内的微波炉。一时间，快速射电暴受到了更多的质疑。
6 年后的 2013 年，还是帕克斯望远镜，另一批天文学家发现了新的 4 个快速射电暴，并且排除了微波炉的干扰。这终于确定了快速射电暴的真实性。从那以后，快速射电暴的研究迅速发展起来。大量的设备和科研人员投入到这一领域，如今已取得了大量令人欣喜的发现。
而且快速射电暴遥远的距离，短暂而明亮的暴发，加之超高的事件率，让天文学家们不但对快速射电暴本身感兴趣，也对把它作为探测宇宙的工具充满了期待。
目前，快速射电暴还有很多谜团。未来我们一定会听到快速射电暴领域带来的更多惊喜。而这一切突破都始于帕克斯。
接收机
转眼又是十多年过去了，如今帕克斯望远镜年过花甲，也被澳大利亚列入了国家遗产名录。但它每天的工作表，却依然排得满满当当。它现在的观测任务中除了脉冲星、快速射电暴，还有利用脉冲星探测引力波，和搜寻地外文明信号等等。每一项工作，都让人充满期待。
这不禁让人好奇，为什么战斗了六十年，帕克斯仍然能站在科研的第一线呢？
其实，其中的原因我们前面已经说过，那就是灵敏的接收机。
与光学望远镜的感光芯片类似，接收机就是射电望远镜的视网膜。巨大光滑的反射面固然重要，但反射面汇聚的信号，必须要经过接收机才能收集起来。而接收机的灵敏程度，正是射电望远镜能力的瓶颈。
图：帕克斯使用的一种接收机
帕克斯望远镜的接收机，就安置在反射面前方 27 米，三个支架支撑的焦点上。现在，帕克斯望远镜的馈源舱里，可以同时放置多个接收机，根据任务需求快速切换。为了减少热运动带来的噪声，这些灵敏的接收机都工作在接近绝对零度的环境里。
图：帕克斯两位工作超过30年的接收器工程师David Cooke（左）与Ben Lam
虽然天文学家经常说，某个天体猛烈爆发，释放出巨大的能量，但“猛烈”两个字，说的只是天体所在的位置而已。那些巨大的能量在穿越茫茫宇宙的过程中会不断耗散，到达地球的时候，能量早已变得极其微弱。科研人员必须不断地推进灵敏度的极限，才能做到“于无声处听惊雷”。
有人计算过，帕克斯望远镜现在的灵敏度，是它刚建成时的一万倍。正是这种与时俱进，铸就了帕克斯的不老神话。
射电观测是不分昼夜的，所以除了检修，帕克斯几乎日夜不歇地凝视着宇宙。它多像人类文明一只深邃的眼睛。它跨越过世纪，越饱经风霜，越目光灼灼。
信源
- https://www.abc.net.au/science/articles/2010/02/09/2814525.htm
- https://en.wikipedia.org/wiki/Cyril_Hazard
- https://en.wikipedia.org/wiki/John_Gatenby_Bolton
- https://en.wikipedia.org/wiki/Maarten_Schmidt
- https://www.abc.net.au/science/articles/2010/02/09/2814525.htm
- https://en.wikipedia.org/wiki/Duncan_Lorimer