阿雷西博望遠鏡的坍塌給其他老化的天文臺敲響了警鐘

自1963年在美國波多黎各森林山丘中一個碗狀天然sinkhole中建成以來，著名的美國阿雷西博天文臺經受住了各種威脅。它經歷了從颶風和地震到聯邦預算大幅削減的一切。正因如此，上週發生的事情才更令人震驚：多根大型懸索電纜的災難性故障導致一個900噸（817公噸）的裝置平臺筆直墜落，穿過阿雷西博的核心——305米射電天線，將其徹底摧毀。隨著天文臺可恥結局的訊息傳開，全球各地的人們——包括許多專業天文學家在內——幾乎像失去了一位老朋友一樣哀悼。

然而，這種損失對世世代代的波多黎各人來說感受最深，他們在阿雷西博看到的不僅僅是一個類似於該島雨林和朗姆酒的文化象徵。“作為一個世界著名的科學設施，阿雷西博為保衛我們整個星球提供了寶貴的資料，它是許多波多黎各人通往科學的大門，”休斯頓月球與行星研究所的行星科學家埃德加·里維拉-瓦倫丁說，他的職業生涯像許多人一樣，都受到了該天文臺的影響。“我花了一段時間才能夠觀看平臺墜落的影片。”

在善後工作中，一個令人不安的問題仍然存在：現在該怎麼辦？當官員們在天文臺可怕的殘骸上徘徊時，他們必須決定是重建和升級它，無論成本如何，還是放棄任何復興的希望，將可能用於資助阿雷西博重建的資金投入到新的專案中，這些專案或許可以填補這個傳奇設施留下的空白。

關於支援科學新聞

如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保有關塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。

這種困境象徵著整個天文學界，尤其是在美國，面臨的一個存在性問題：在聯邦資金停滯不前或縮減的時代，在維護現有天文臺和建造創新型新天文臺之間取得平衡真的有可能嗎？換句話說，我們是否必須為了給新的事物讓路而碾碎舊的事物？阿雷西博的死亡和試圖復甦是這種衝突的濃縮，或許也為國家遺留天文臺的未來提供了一個視窗。

現場攝像頭捕捉到的阿雷西博災難性坍塌。圖片來源：卡洛斯·佩雷斯/阿德里安·巴格/NSF。

阿雷西博，這就是你的一生

在中國五百米口徑球面射電望遠鏡（FAST）於2016年建成之前，阿雷西博擁有世界上最大的射電天線——能夠聽到來自宇宙夜空中各種天體發出的最微弱的無線電波。與FAST和美國其他所有射電望遠鏡（加利福尼亞州戈德斯通深空通訊綜合體除外，勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的行星防禦研究員梅根·布魯克·賽亞爾指出）不同，阿雷西博不僅能夠接收來自遙遠太空的無線電波，還能夠發射無線電波。這使得該天文臺成為少數幾個能夠向行星、衛星和小行星反射雷達波束，從而對其形狀和表面進行非常高解析度測量的設施之一。

幾十年來，研究人員利用阿雷西博卓越的能力，一項接一項地完成了令人驚歎的空間科學壯舉。這些壯舉包括為引力波的存在提供了第一個證據，以及探測到第一個重複快速射電暴。該設施在確認最早的已知系外行星之一方面發揮了關鍵作用。它也是阿雷西博資訊的來源，這是一份在1974年發射到星際空間的宇宙公報，在其特定波長上，短暫地超越了太陽的光芒。

但隨著時間的推移，技術不斷進步，對具有突破效能力的新天文臺的需求變得清晰，阿雷西博的主要資助者和管理者——國家科學基金會（NSF）開始認為該天文臺已經過了鼎盛時期。2006年的一份高階審查報告建議，除非有其他實體介入資助，否則阿雷西博應在2011年後退役。來自科學界以及政治家和當地居民的壓力使天文臺免於這種命運，但此後，NSF一直在削減其年度運營資金，並一直威脅要將其退役。

到2017年，NSF支付了阿雷西博1200萬美元年度預算的三分之二左右，NASA彌補了剩下的三分之一。但到2019聯邦財政年度，該設施的運營和維護年度資金已降至約700萬美元。NASA當時的支援水平約為400萬美元。（那一年，NSF還透過一項國會法案向阿雷西博提供了超過1200萬美元的颶風相關維修費用。）這種資金下降勢頭將持續到2020年代，這清楚地表明，無論如何，NSF最終都將擺脫阿雷西博。

行星協會高階太空政策專家凱西·德雷爾說，問題在於，經通貨膨脹調整後，NSF用於資助阿雷西博（以及其他許多專案）的基礎研究預算在過去10多年中一直相對持平。這筆資金基本上由國會決定，NSF必須盡其所能，利用所獲得的資金實現當下最相關的科學目標。

那麼，對於一個資金緊張、但擁有許多老化但具有科學能力的天文臺的機構來說，該怎麼辦呢？

獨一無二

由於其獨特的能力和令人震驚的消亡，阿雷西博的案例尤其極端，但它仍然符合許多其他遺留天文設施的共同困境：我們是儘可能長時間地維持它們的執行，還是在某個時候接受它們不再值得了？

在波多黎各國內外，許多天文學界人士倡導重建阿雷西博的理由，在於其能力的獨特性。確切地說，阿雷西博能做哪些其他天文臺做不到的事情？

康涅狄格大學的引力波天體物理學家基亞拉·明加雷利是NANOGrav專案的成員，該專案透過它們應該對來自散佈在天空中大量脈衝星的節拍器般的無線電脈衝的到達時間產生的細微變化，來尋找納赫茲頻率的引力波。人們認為，這種波——尚未透過這種“脈衝星計時陣列”方法得到確鑿的證實——來自正在合併的超大質量黑洞對。阿雷西博一直在監測NANOGrav目標脈衝星的一半。

“我們仍然可以進行[脈衝星計時]。只是阿雷西博在這方面真的非常出色，”明加雷利說。“我們失去了我們的明星四分衛。”她補充說，與世界其他地方（例如歐洲和澳大利亞）的其他射電望遠鏡的國際合作將有助於彌補這一部分不足。中國FAST、南非MeerKAT和印度巨型米波射電望遠鏡等能夠研究脈衝星的新興力量都有能力提供幫助。但阿雷西博的損失並非微不足道。“我們不僅僅需要一臺這樣的望遠鏡，”明加雷利說。“我們需要很多這樣的望遠鏡，這樣我們才能觀察整個天空。”

保羅·弗雷雷是德國波恩馬克斯·普朗克射電天文學研究所的天文學家，他從2001年到2009年使用阿雷西博尋找脈衝星。當時，它是世界上同類工作中靈敏度最高的望遠鏡。他說，其他望遠鏡目前還無法與之媲美。

FAST更靈敏，但至少目前而言，由於各種問題，它無法完美替代阿雷西博。首先，與該望遠鏡的任何國際合作都需要透過複雜的政治障礙，一系列的檢查和官僚障礙，這可能是中國日益增長的軟實力的體現。

相反，阿雷西博的政策非常開放。“你提交一份提案。如果它有價值，它就會獲得望遠鏡的使用時間。就是這樣。他們不在乎你來自哪裡，”弗雷雷說。幸運的是，MeerKAT可以在脈衝星搜尋方面提供幫助。“對於脈衝星來說，你想看到的位置在南半球，因為我們銀河系的中心在南半球。在那裡，天空中充滿了脈衝星，”他說。“但是，[MeerKAT]仍然只有阿雷西博靈敏度的三分之一——或者曾經有過的。”與阿雷西博相比，FAST的頻率範圍也略有受限。而且與後者不同，它沒有多個發射雷達系統。“對於目前的美國來說，沒有哪個設施能夠取代阿雷西博的能力——在高靈敏度天文學方面，”弗雷雷說。

阿雷西博可以調諧到附近恆星的活動。這些觀測讓包括阿雷西博波多黎各大學行星宜居性實驗室主任阿貝爾·門德斯在內的科學家們瞭解了一顆行星鄰域的恆星熔爐可能有多麼惡劣或無害。如果圍繞我們太陽的鄰近恆星之一執行的世界擁有強大的極光，甚至可能存在技術文明，阿雷西博的靈敏度足以讓它有機會探測到由此產生的無線電 chatter。門德斯說，FAST設施應該提供類似的靈敏度，但他擔心後勤問題——尤其是前往中國進行潛在現場工作的困難。

阿雷西博也是我們監測危險太空岩石的最重要的哨兵之一。雖然它不適合搜尋此類物體，但該天文臺擅長描述單個樣本的特徵：如果另一臺望遠鏡發現一顆可能與地球發生碰撞的小行星或彗星，阿雷西博可以對其進行更仔細的觀察。

布魯克·賽亞爾說：“在行星防禦方面，阿雷西博在描述近地小行星的詳細形狀方面具有無與倫比的能力。”反過來，瞭解一顆具有威脅性的小行星的形狀，有助於預測它可能如何對使用核炸藥或動能撞擊器的偏轉嘗試做出反應。阿雷西博還可以非常精確地確定近地小行星的位置，從而更準確地預測它們的軌道路徑。“這對於降低小行星未來是否可能撞擊地球的不確定性至關重要，”布魯克·賽亞爾說。

亞利桑那大學行星科學博士生亞歷山德拉·斯普林曼說，NASA的深空網路（用於與整個太陽系中的航天器對話的射電望遠鏡集合，包括戈德斯通天文臺）也具有發射能力，她曾在阿雷西博工作了兩年。這使其適用於各種行星雷達觀測，包括小行星特徵描述。“然而，我相信，使用阿雷西博，你可以觀察到的小行星數量是戈德斯通的20倍，”她說。“阿雷西博的靈敏度是戈德斯通的18倍。而且阿雷西博具有戈德斯通和深空網路所缺乏的排程靈活性。”

即使是望遠鏡的位置也是獨一無二的。波多黎各是強烈地震和颶風的熱點地區。但該島嶼的優勢在於其大型石灰岩sinkhole，非常適合巨型射電天線。與大多數其他可能用於建造超大型天文臺的地點不同，波多黎各還提供預先存在的基礎設施，從道路到電力線。斯普林曼說，重建將是艱難且昂貴的。但它仍然比在其他地方建造一個新的大型射電望遠鏡更容易。

然而，重建阿雷西博最令人信服的理由可能歸結為它與日常波多黎各人的聯絡。幾十年來，天文臺一直是科學教育和推廣的中心，並透過帶來高薪工作和穩定的遊客 поток 可靠地促進了當地經濟。“當我們努力建造科學設施以實現這一目標，並透過該設施吸引公眾參與時，我們就簽訂了一份社會契約，並承擔了這些責任，”里維拉-瓦倫丁說。換句話說，放棄阿雷西博的危害可能會遠遠超出稀薄的天文學領域。

嚴峻的現實

即使在死亡之後，阿雷西博也表明，NSF在其老化的天文臺方面存在一個棘手的問題。

位於弗吉尼亞州夏洛茨維爾的國家射電天文臺主任託尼·比斯利說，我們的社會支援天文學主要有四個原因：進行科學研究以找到我們在宇宙中的位置；透過將天體物理現象與當地事件進行比較來學習基礎物理學；培養新一代科學家、工程師和精明的公眾成員；以及激發技術進步。“當您想到阿雷西博時，它仍然在出色地完成其中三項任務。它在科學研究方面也做得相當不錯，”他說。

“這就是NSF在這些設施方面面臨的困境。它們都在出色地觀察宇宙中奇異的地方，培養出色的人才和技術，以及各種此類事物，”比斯利說。“科學可能不是紐約時報頭版[材料]，但它非常棒。它們都是牆上的一塊磚。”

弗雷雷說，雖然近年來，光學和紅外天文學一直是研究活動的熱點，但阿雷西博幫助保持了射電望遠鏡界的活力。此外，他補充說，儘管天文臺年代久遠，但多年來的多次升級幾乎使阿雷西博一次又一次地成為一臺新的望遠鏡。

但比斯利說，望遠鏡的附加元件是有限制的。這有點像在智慧手機上的相機上新增改進的鏡頭：最終，手機不可變的架構將限制您可以拍攝的照片的型別和質量。阿雷西博是射電天文學領域名副其實的巨頭，這要歸功於其巨大的天線尺寸和相關的驚人靈敏度。但是，這種巨型天線的權衡取捨不會透過升級來解決：例如，它可以觀察的有限頻率帶和天空的縮小視野——阿雷西博的天線巢狀在其sinkhole中，無法轉向指向天空中的任何位置。這些限制意味著，即使升級了奇妙的新功能，其靈敏度也不會發生顯著變化。

可悲的是，阿雷西博的內爆現在使得證明其持久價值的論點更加難以成立，因為維修和升級遠比從一堆碎片中重建某些東西便宜。“底線是：如果你已經擁有它，並且它正在工作，你可以對電子裝置和關鍵系統進行升級，然後開始進行你的科學研究，”比斯利說。“這始終值得尋找。但如果它坍塌了，你必須重建它，那就是另一回事了。你可能在談論的是兩個數量級不同的投資。”

新的專案當然可以使用可能用於重建阿雷西博的資金。但買家要當心：“新穎、閃亮的東西的問題在於，它們可能會壞掉，它們可能比你想象的要花費更長的時間，它們可能會超出預算，而且你最終得到的東西實際上並不是你一開始想要的東西，”明加雷利說。

“你可能會關閉很多望遠鏡，仍然無法支付其中一臺新望遠鏡的運營費用，”比斯利說。當涉及到舊的和新的事物時，沒有簡單的答案。

阿雷西博的屍檢

在一次媒體簡報會上，NSF天文學部門主任拉爾夫·高姆似乎表示，該機構正在將阿雷西博望遠鏡的情況視為徹底的屍檢。他說，關於重建射電天線或將該地點恢復到自然狀態的任何決定都將是一個“多年的過程，涉及國會撥款以及科學界的評估和需求”。

不過，其他人已經在應用阿雷西博的教訓來規劃未來。阿雷西博天文臺主任弗朗西斯科·科爾多瓦說，射電天線的破壞揭示了較新的望遠鏡可能遇到的潛在問題。阿雷西博的傳奇故事——隨著時間的推移，它的資金被慢慢耗盡——應該成為其他設施的警示故事。鎳幣和美分地削減遺留天文臺的資金可能有助於平衡預算，但由此帶來的運營不確定性和低效率可能會對實際進行科學研究產生深刻的破壞性影響——反而降低了首先保持老化設施運轉的好處。

NSF採取的一種解決方案——將阿雷西博的所有權轉移給私營實體或財團，以減輕該機構的責任——提供了“另一種做好事情的方式”，科爾多瓦說。在老化站點接近其科學表現高峰期時對其進行拍賣，將為它們提供第二次生命的最佳機會。然而，這些努力並不能保證奏效：多年來，NASA一直試圖透過將老化的斯皮策太空望遠鏡以一大筆但公平的價格轉交給私營部門來“拯救”它。然而，最終，沒有達成任何交易，斯皮策在今年早些時候被關閉。

無論如何，阿雷西博的悲慘衰落表明，慢慢地從現有設施中抽走資金以支援新專案是危險的，並且根本不能保證導致淨正面結果。“我認為在許多人看來，多年來，NSF只是沒有為該設施提供足夠的資金，”布魯克·賽亞爾說。“而這現在是顯而易見的。[射電天線的坍塌]是對這樣一個標誌性天文臺資金不足的後果。你不能永遠靠微薄的預算維持它的運轉。”

然而，金錢無法解決一切問題。科爾多瓦說，在阿雷西博的案例中，該設施的一些結構退化很難（即使不是不可能）使用無損技術看到。這種情況意味著，即使一個資金充足的財團一直在管理天文臺，並使用相同的維護技術進行相同的檢查，它也不會發現致命的電纜退化。科爾多瓦代表中佛羅里達大學目前的管理團隊補充說，該團隊“從未因缺乏資金而在任何時候停止對結構執行維護任務。”

像科爾多瓦一樣，弗雷雷在康奈爾大學管理該站點時曾在阿雷西博工作過，他不認為坍塌是由直接疏忽造成的。“我認為大自然對該結構特別不友善，”他說，他指的是最近的地震和2017年的颶風瑪麗亞。“我認為這可能是電纜強度遠低於預期的主要原因。”

但資金減少肯定沒有幫助。雖然阿雷西博的維護工作沒有停止，但它是經過分類的。“[天文臺]擁有的很多資金，用於維護的備用資金，然後用於被認為更緊迫的任務，”弗雷雷說。近年來，來自空氣鹽的腐蝕一直是該設施管理者不斷擔心的問題。“人們不太擔心電纜，”弗雷雷補充說。

如果你正在努力在可靠的主力軍和新穎的專案之間取得平衡，那麼代表權也很重要。“我認為更容易忽視或低估美國大陸以外的設施的資金”，並希望沒有人注意到，布魯克·賽亞爾說。“例如，波多黎各沒有參議員來更積極地為它辯護，這可能損害了該設施的資金。”

然而，歸根結底，NSF維護舊天文臺和規劃新天文臺之間的緊張關係的原因在於它獲得的資金。行星協會的德雷爾說，這種安排“有點瘋狂，對吧？”。“我們談論的是阿雷西博不得不爭奪的區區數百萬美元，而美國的年度預算約為4.5萬億美元。這就是我們的科學被擠壓的程度。我們所有的基礎研發——包括[國立衛生研究院]、包括NASA、包括NSF——我們仍然只談論每年約800億美元，在4.5萬億美元的預算中。”這種情況在一些人看來是毫無意義的：正如中國和歐洲等其他國家尋求在國際舞臺上取得科學優勢一樣，比斯利說，他的同事們正在問，“我們為什麼要在這件事上屈服？”

“在天文學領域，我們正處於那個時刻，那個拐點，我們必須就世界領導地位以及美國成為像天文學這樣的領域的世界領導者的好處做出非常明確的決定，”他說。“資金的流向反映了價值觀。”那麼，考慮到阿雷西博的複雜傳奇故事，美國人真正面臨的是一個關於他們希望美國成為什麼樣的國家的根本問題。