戈登.库珀魂归天籁

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  国际甚长基线干涉网,多由几个国家现有的一些比较大型的射电望远镜组成。其中,欧洲网最为有名。虽然由于我国上海和乌鲁木齐两台射电望远镜的参加增加了基线长度和改善了望远镜的分布,但不可能彻底改变“凑合”所带来的缺陷,加盟的各个射电望远镜大小不一、性能差别很大,分布也不完全合理,特别是各个射电望远镜还承担有大量观测研究课题,一年中只能拿出一小部分观测时间参与国际甚长基线干涉观测。美国的甚长基线干涉阵(VLBA)则避免了上述缺点,可以说是世界上观测时间最多、观测质量最高的地面甚长基线干涉射电望远镜。
  
  美国甚长基线干涉阵
  
  1967年出现的甚长基线干涉观测技术迅速完善、成熟,逐步形成由几个国家的多台射电望远镜共同组成甚长基线干涉网。而美国凭借它的强大的国力和辽阔的疆土,在1970年就开始考虑建造完全在美国领土上的专用甚长基线干涉阵。经过十年的研究,由加州理工学院、伊利诺斯大学和国立射电天文台在1980年9月提出方案,10月在格林班克国立射电天文台敲定甚长基线干涉阵计划。
  甚长基线干涉阵1986年开始建造,1993年5月最后完成。最初的观测实验在1987年10月,10台射电望远镜的第一次联合观测在1993年5月29日并获得成功。10个望远镜的设计和性能完全一样,但是放置地方的自然环境却很不相同,有的与著名的Kitt Peak天文台为邻,有的在荒芜的高山上,有的在海边,这对毫米波的观测是很不利的。
  


  VLBA由10台射电望远镜组成,分布在从东部卡里宾的维尔京岛到西部的夏威夷的辽阔疆土上。天线的基线跨度8600千米,最小基线为200千米,获得与美国领土一样大小的单天线射电望远镜的分辨率。比最好的光学望远镜的分辨率高2~3个数量级,达到亚毫秒级。观测银河系中心时,可以分辨尺度为几个天文单位的射电源。
  10台射电望远镜天线的运转由设在新墨西哥州的索科罗的工作中心控制,10台射电望远镜同时对准同一个射电源,在相同的频率上进行观测,数据以每秒256兆的速度被记录在磁带上。磁带约4.8千米长,可以记录3兆兆个数据。每台射电望远镜的观测记录都要利用氢钟和GPS时间信号,把准确的时间记录在磁带上。由于数据量过于庞大,不可能实时把10台射电望远镜的数据用卫星传输到总部进行相关处理。
  国家射电天文台总部大楼在新墨西哥州索科罗,其第二层是电子分部,在这里研制了VLBA和VLA的许多电子设备。10台射电望远镜天线运转的控制室也在这里。每次观测后,10台射电望远镜的观测资料被送到这里进行相关分析。完成后,寄到提出观测课题的天文学家那里。全世界的天文学家都可以申请使用,仅仅根据观测课题的科学意义来决定是否分配观测时间,但一年中最多只能获得3次观测机会。美国国家射电天文台的科学家最多也只能获得15%的观测时间。
  


  
  VLBA的结构
  
  VLBA的10台射电望远镜的结构完全相同。每个天线重240吨,抛物面天线直径为25米。天线最上面是副反射面,用支架固定在抛物面反射面的上方。从抛物面中心到副反射面的高度为9.144米,副反射面的作用是将由抛物面天线会聚到焦点处的射电波再一次反射到抛物面中心处的馈源上。诸多的馈源不可能都安装在中心,因此副反射面偏离中心,使它能围绕其轴旋转,使射电波可聚焦到任何一个馈源的开口处。抛物面反射面的下方是放置馈源和接收机的小屋,由于VLBA的频率覆盖很宽,从330MHz到86GHz,相当于90厘米到3毫米的范围,分为十个波段,因此有很多馈源和前置接收机,波长比较短的馈源是喇叭天线。前置放大器采用致冷装置,用氦冷却达到15K(-258℃),因此放大器固有噪声很低。天线的仰角由一个竖立的大齿轮来控制,整个望远镜放置在一个圆形轨道上,天线可以在轨道上运动以调整其方位角。
  天体射电波经过抛物面反射聚焦,再经副反射面送至馈源,经前置放大器后,通过馈线传到观测室,最后的信号被磁带记录下来。
  


  
  优越的性能
  
  10台射电望远镜在布局上充分考虑了干涉观测对不同基线的需求,提高了观测质量。10台射电望远镜的天线和接收系统一模一样。不仅观测资料的处理很方便,而且图像质量也非常好。特别重要的是,10台射电望远镜都能工作到3.5毫米波段,不仅进一步提高了分辨率,也成为解决某些疑难课题的关键观测手段。
  VLBA是世界上最大的专门用来进行甚长基线干涉观测的天文设备,其全部时间都用来进行甚长基线干涉观测。而其它VLBI国际网,是由现有的射电望远镜组成,只有小部分时间用于VLBI观测。
  对于一些特殊的观测课题,设立了动态观测时间的申请。如3.5毫米的VLBA观测,对天气条件要求非常苛刻,有雨有云的天气都不能进行观测。VLBA的10台射电望远镜分布在8600千米的广阔地带,10个台站同时处在适合毫米波观测天气条件的时候很少,“动态观测时间”的申请,就是提出10台射电望远镜台站应同时具有的天气条件满足时才给予安排。我国年轻学者沈志强博士就曾申请到一次这样的观测,在3.5毫米波段观测研究银河系中心的射电源SgrA*,虽然足足等待了一年多,但得到的是非常成功的观测结果。
  


  
  观测成果
  
  甚长基线干涉观测的分辨率是其它任何望远镜所无法比拟的,在天文学的研究方面,观测课题集中在射电喷流、黑洞、射电源演化、银河系和河外星系微波脉泽源、引力透镜、超新星遗迹、近处和远处的星暴星系、暗弱射电源特性以及在活动星系核中的中性氢吸收。最有显示度的观测成果是对超大质量黑洞候选体的观测研究,这是因为黑洞的尺度非常小。目前VLBA观测最成功的有3例,分别为银河系中心、椭圆星系M87和塞弗特星系NGC4258中的超大质量黑洞候选体。
  银河系中心的射电源SgrA*是30年前发现的,它由两个射电源组成,现在确认黑洞候选体在西边的那个射电源。近红外高分辨率观测发现,在SgrA*周围1角秒处有一颗年轻的恒星围绕SgrA*作轨道运动,测得其轨道周期为15.56年。由此估计出SgrA*的质量为4百万个太阳的质量,成为超大质量黑洞的候选体,其史瓦西半径相当于0.08AU,即日地距离的8%,这个黑洞对我们的张角非常小,仅为10微角秒。我国学者利用VLBA在五个波长(0.7, 1.35, 2.0, 3.6和6.0厘米)观测SgrA*的图像,其尺度随波长的变化与一个点源因星际介质散射引起放大图像很相似。由于散射效应随观测波长平方减小得很快,所以在更短波长观测将可能获得其真实结构和大小。在3.5毫米波段对SgrA*的观测已经得到200微角秒角大小,逐步接近这个黑洞真实大小。
  


  椭圆星系M87离我们很远,有14.7Mpc(1pc=3.26光年),天文学家估计在M87的中心有一个质量为3×109太阳质量的黑洞,其史瓦西半径为0.001光年,对我们的张角为4微角秒。
  VLBA对塞弗特星系NGC 4258的观测发现一个围绕中心的具有40百万太阳质量的黑洞旋转的吸积盘,由水脉泽的观测给出盘上各处的速度。NGC 4258中的超大质量黑洞,其质量比银河系中心的黑洞大10倍,但是距离则远了1000倍(D~ 7.2 Mpc),因此这个黑洞的史瓦西角半径仅为0.1mas。
  在诸多超大质量黑洞的候选体中,要算银河系中心黑洞(Sgr A*)的角径最大,离我们最近,流量密度最高(达到1Jy),是最有可能取得突破的观测研究对象。
  
  2004年10月4日,美国航天员、“水星七杰”之一的戈登·库珀走完了77年的生命历程,在美国加利福尼亚州的家中悄然辞世。
  10月15日,为了缅怀这位功勋卓著的航天事业的老一代开拓者,美国航宇局在休斯敦的约翰逊航天中心举行了悼念仪式。美国航宇局的当家人西恩·奥基弗,“水星七杰”中尚存的元老——约翰·格伦、斯科特·卡彭特、威利·谢拉,传奇般的飞船指令长基恩·克兰茨,以及其他一些高层人士参加了这个充满了怀旧与感恩的活动。
  西恩·奥基弗在发言中称赞库珀是一位美国英雄,是一位在危急时刻值得信赖的坚强而睿智的航天员。约翰·格伦深情地回忆起当年库珀的轶事:“有一次,库珀故意告诉大家错误的集合地点,使得我们所有的人都走错了地方,在训练中心造成了一次小小的混乱。”正在国际空间站上轮值的第9宇航组的航天员迈克尔·芬克和帕达尔卡从太空用铃声传送回他们的哀思。美国总统乔治·布什也发表讲话表示哀悼与怀念。
  


  
  英雄业绩
  
  作为美国早期航天计划的参与者,戈登·库珀进行了水星号飞船的第六次也是最后一次飞行,随后又作为指令长完成了双子星座5号飞船的飞行。
  戈登·库珀是“水星七杰”中年纪最小的,但是在水星7号的飞行中,他却达到了水星号飞船飞行设计的极限。这次飞行,从1963年5月15日到16日,历时34小时,环绕地球飞行22圈。当时,他比其他美国航天员的太空飞行时间长3倍,也大大超过了水星号飞船的设计能力。在飞行中,他还成为第一个在太空入眠的航天员。
  1965年8月,库珀和查尔斯在双子星座号的第三次飞行中,经历了紧张和充满悬念的难忘历程。这次飞行的任务是检验航天员能否在太空中生存8昼夜,从而能够往返月球。在飞行中,他们遇到了一系列的问题,如能源系统、推进剂、废气排放造成的飞船翻滚,以及其他一些麻烦,但是他们一一加以克服,在太空的留轨时间几乎达到了191小时,在近地轨道上运行了122圈。在轨期间,他们模拟了在地球阴影区进行飞船对接,取得了成功。
  


  通过这次飞行,双子星座5号创造了纪录——飞行500万千米,飞行时间达到了190小时56分。库珀也创造了当时载人航天的纪录——留轨时间225小时15分,同时飞行过两种轨道。
  
  多彩人生
  
  戈登·库珀1927年5月6日生于俄克拉何马州肖尼市。1945~1946年,他在美国海军服役。随后,他又考入夏威夷大学学习并取得海军中尉军衔。1949年,他响应号召,加入空军学习飞行技术,成为一名战斗机飞行员,并于1950~1954年在德国驻守。
  1956年戈登·库珀在空军技术学院取得到学士学位,随后加入爱德华兹空军基地担任试飞员,直到被美国航宇局挑中成为航天员。除参加过的太空飞行之外,他还曾两次成为候补航天员。
  


  1970年7月31日,他离开航宇局并退役,加入了几家咨询公司,担任董事,涉足航空航天、旅馆业、能源开发和 土地开发等多种项目。1975年,他成为迪斯尼公司的研发部副总裁。
  戈登·库珀爱好非常广泛,五花八门,涉及不同的领域,像收藏珠宝、考古、赛马、飞行、滑雪、赛艇、打猎和钓鱼等。
  在他多姿多彩的一生中,他赢得了许多荣誉。并且,他还是第一个在议会向两院议员发表演说的现役军人。
  库珀终其一生都保持了生活的激情,他一直在研究新型飞行器。在他71岁时,他还说:“我每月至少要飞3次,不然就会不自在。”
  


  
  链接:
  
  水星号飞船
  美国第一个载人飞船系列。从1961年5月到1965年5月共进行过6次发射。前两次是亚轨道飞行,后4次是载人轨道飞行。主要目的是试验飞船各种系统的性能,考察失重对人体的影响以及发射和返回过程中人体对遇到的超重的忍耐力等。
  双子星座号飞船
  美国第二个载人飞船系列。从1965年3月到1966年10月共进行过10次载人飞行。主要目的是在空间轨道上进行机动飞行、交会、对接和航天员尝试出舱活动等,为阿波罗号飞船载人登月飞行作技术准备。
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