2022世界杯预选赛欧洲赛区赛程(www.9cx.net):射电天文和碳基生物不得不说的故事

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鸽子与白色介电质料

鸽子这种生物不仅在东、西方文化中同时背上了关于“迟到”的黑锅,还在天文学史上遭受了一段时间的不白之冤,当事鸽也因此遭到工程师们的驱逐,被赶出了自己的鸽巢。在被驱逐后,当事鸽曾试图返回现场与工程师们据理力争,惨遭击毙。

以上惨案发生在上个世纪六十年月,贝尔实验室的两名无线电工程师,阿诺・彭齐亚斯和罗伯特・威尔逊获准使用一台直径约莫6m的射电望远镜举行实验,而实验的第一步就是调试天线。

阿诺和罗伯特 以及Holmdel喇叭形天线|图源 NASA

在调试历程中,他们发现不管将天线瞄准天空的哪个偏向,都市收到一个稳固的噪声信号,这个信号的强度相当于一个3K的理想黑体所辐射出的能量。由于这个信号平均地来自每个偏向的天空,以是清扫了“噪声是人造信号”的可能性,随后他们把眼光投向了观察装备自己,嫌疑是观察装备自带的噪声影响了观察效果,于是最先对观察装备举行检查。

他们发现在喇叭状天线里竟然有两只鸽子筑了巢,而且鸽子还在天线中发生了大量的“白色介电物质”(即鸽子粪),这让他们一度以为找到了噪声的泉源。于是他们将鸽子寄到几十公里外的地方放飞,并整理了天线内的“白色介电物质”,重新调试天线。

但就在他们以为消除了滋扰,胜利在望的时刻,已经把这儿当立室的鸽子,跨越几十公里的旅程又飞了回来,钻进了天线。于是两位工程师只好击毙了这两只鸽子。

厥后的事情人人都知道了,滋扰并不是来自于鸽子,而是赫赫著名的宇宙微波靠山辐射。这两个和鸽子斗智斗勇的人获得了半个诺奖:

阿诺和罗伯特 | 图源 nobelprize-org

并非只有喇叭天线会有这样的遭遇,纵然是现代的射电望远镜较常使用抛物面天线,也逃不外被鸟类筑巢的运气。稀奇是抛物面天线后头的桁架结构,不仅吸引了鸟类前来筑巢,更是吸引了成群的马蜂来制作了马蜂窝。(如下图)

ASKAP antenna | 图源 Ann Johns

射电望远镜在逃避人类滋扰源的同时,不能阻止地侵入了荒原之中,与野生动物们来了一次不得已的近距离接触。

痒痒挠与磨牙棒

若是说夏威夷的住民拒绝在莫纳克亚山建设三十米望远镜是由于畏惧影响当地的生态环境,那么最环保最生态,最与当地震物协调相处的射电望远镜就应该是LOFAR。

LOFAR全称Low Frequency Array,是现在最大的射电望远镜阵,事情频率低至在地球上可以观察到的最低频率。与单抛物面射电望远镜差异,LOFAR 是一个伟大的阵列,每一个天线都有自力的传感器,在观察历程中将发生海量的观察数据。LOFAR的天线有两种:一种是低频的LBA(Low Band Array),一种是高频的HBA(High Band Array)(如下图)。

LBA

图源:张沛锦摄

HBA

图源:张沛锦摄

这也是为什么LOFAR使用线振子作为天线,而没有使用人人印象中常见的抛物面天线。由于低频率的电磁波的波长较长,需要用线振子作为天线,才气获得较好的增益。同时,伟大的阵列带来的超长的基线也能提高对低频天空的观察分辨率。

LOFAR super-terp |图源 astron.nl(上)

LOFAR super-terp的护城河 | 图源 张沛锦摄(下)

图中被“护城河”珍爱起来的区域被称为“Super-Terp”,而Terp本意是一种行使牛粪修建而成的防御海水侵蚀的人造山丘,依赖这种特殊的修建质料,它险些坚不能摧。

而LOFAR继续了这一名字,制作了“Super-Terp”来放置天线,举行射电观察。甚至有人说,“Super-Terp”旁的这一圈护城河的作用,是用来珍爱天线不受周围牛羊的侵袭。

护城河能防御地缘碳基生物(如,牛羊等),照样无法防御空袭,Super-Terp中的LOFAR天线顶端也能看到“白色介电物质”。

LOFAR-LBA上的白色介电奥利给|图源:张沛锦摄

然则我们现在知道,这种白色介电奥利给是透波体,以是对低频射电观察并无任何影响,纵然是带着奥利给的天线也可以获得优异的观察效果:

LOFAR瞬时过问成像获得的太阳射电暴的成像效果,奥利给并没有影响观察效果|图源 A&A 639, A115 (2020)

这些观察装备不仅没有损坏当地的生态环境,而且装备自己也反过来给动物们提供了优异的生涯环境。好比当地的羊经常没事就去观察站,用天线的线振子磨牙、挠痒、玩游戏,画面十分温馨,体现着科技与生态的协调共处,就是认真维修天线的工程师可能有点难受。

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甚至在科学家撰写相关实验流动注重事项时,都市提出要对天线举行分外的珍爱,以应对野外牛羊对天线的攻击。

碳基航行物的黑体辐射

“早晨,打开窗帘,小鸟站在窗台上讴歌”,可能是一个异常美妙的画面。但“早晨,启动望远镜,小鸟站在天线上发烧”就一定是一件让人的血压和吸收机的噪声温度一起升高的事了。

我们知道,为了逃避人造电磁滋扰的影响,射电望远镜一样平常会建设在周围坦荡无遮挡的地方(若是没有这样的地方,那就用炸药把它炸成这样的地方),以是无处落脚的鸟儿们不约而同地选择了在抛物面天线的边缘上站成一圈。对照圆滑的可能还会飞到馈源上渗出一番,或是用喙啄一啄馈源的防水膜,试探试探防水膜牢不牢靠,在确保防水膜经由啄击之后已经不防水了,才悠然离去。

这些鸟类对射电望远镜真的能起到损坏作用吗?谜底是一定的。

一台接纳抛物面天线的射电望远镜中,体积最大的组成部门就是它的天线和馈源,前者用于汇聚电磁波,后者用于感应电磁波。而任何物体都具有不停辐射、吸收、反射电磁波的性子,这些体温在40℃左右的鸟儿也不破例,它们无时无刻不在发出黑体辐射。

除了上文所说的“鸟类用爪子和喙损坏防水膜”外,单只依附它们所发出的黑体辐射,以及重大的数目,就能对高度迅速的射电望远镜发生滋扰。同时,它们的渗出物一旦笼罩在反射面或馈源上,也将对望远镜本体造成侵蚀从而影响性能。

在鸟类同时使用能量武器(发烧)与动能武器(啄防水膜)与生化武器(向馈源渗出)对望远镜提议攻击时,忍无可忍的天文学家们有的选择了战斗,架起了驱鸟器,用现代化的“稻草人”与鸟儿们格斗,妄图驱赶这些射电天文的敌人。有的天文学家们选择了默默忍受,启动天线后泡一杯咖啡等着鸟类们换地方,不再滋扰天线之后再最先事情。

末尾

天文学家们一直是一个依赖高度蓬勃的现代科技的人群,他们需要高速的采样装备,算力壮大的盘算机,超大带宽的网络。但同时他们又想要逃离人群,想与自己的观察装备一起“离群索居”,在最冷落的沙漠设置光学望远镜,在最平静的山坳里设置射电望远镜,在最高的高原上设置高能粒子探测器。这提及来甚至有了一丝诗人的矛盾,一方面想要逃离所有对观察造成滋扰的人群,一方面又必须要亲近人群,以便行使现代化工业带来的水、电、网的便利。

这些对观察装备充满好奇的野生动物,似乎也具有同样的属性。它们的生涯完全不需要人类的的存在,但现实上又无法阻止人类对它们的生涯的影响。它们看到人类突然来到他们栖身的地方,制作了或伟大或麋集的仪器。鸟类们很快发现这伟大的铁架子转起来虽然阵容唬人,但踩上去也并不怎么危险。羊群也发现自己生涯的草坪上多了些桩子,上面还系着铁丝,不仅没什么攻击性,蹭起痒痒来效果比树可很多多少了。

而天文学家们只能整理着天线上的污渍,重新系起被蹭断的振子,气恼地想着今晚一定要吃鸽子/羊/牛。

# 致谢 #

谢谢钱婧萱、祝碧云、李佩儒对本文修改提出的意见。

参考资料

【1】《他俩曾和鸽子较量,却歪打正着获得诺奖》

https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_5041967

【2】宇宙微波靠山辐射的发现

https://en.wikipedia.org/wiki/Discovery_of_cosmic_microwave_background_radiation

【3】Low Frequency Array

https://www.astron.nl/telescopes/lofar/

【4】Zhang, PeiJin, et al. "Interferometric imaging with LOFAR remote baselines of the fine structures of a solar type-IIIb radio burst." Astronomy & Astrophysics 639 (2020): A115.

【5】《Radio detection of Cosmic-Ray Air Showers and High-Energy Neutrinos》

石头档案・作者PROFILE

Astropond

/* 池塘里的鱼都被我摸完了。*/

中国科学院云南天文台硕士在读

石头档案・作者PROFILE

张沛锦

/*好奇且饭量大・会修电脑・不会游泳*/

中国科学手艺大学地空学院博士

中国科普作家协会会员

撰稿:Astropond、张沛锦

美编:刘俞伶

泉源:石头科普事情室

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