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美国俄亥俄州大学大耳朵射电望远镜的出名不是因为它对遥远射电源的观测,而是在它建成以后不久就把搜寻地球之外的文明社会发来的射电波课题作为首要任务,并坚持了20多年。
地球上生机勃勃的生命世界使人们期望在地球之外寻找与人类智能相当甚至超越人类的生物,人们正在期待有突破性的进展。大耳朵射电望远镜的研究不仅是这一课题的先驱性工作之一,也是持续观测时间最长的。
克劳斯(J.D.Kraus)教授与大耳朵射电望远镜
在20世纪50年代,射电天文学开始蓬勃发展。大耳朵射电望远镜与国际上其它著名的射电望远镜,如英国焦德尔班克的76米射电望远镜、澳大利亚帕克斯的64 米射电望远镜、美国阿雷西博的305米射电望远镜是同时期建成的大型射电望远镜。大耳朵射电望远镜的创始人、设计师和建造者克劳斯是俄亥俄州大学电子工程和天文学教授,他是一位著名的射电天文学家,他在1966年出版的《射电天文学》是这个学术领域的经典著作。他也是公认的搜寻地外文明的发动者和先锋之一。与上面提到的几台大型射电望远镜不同的是,大耳朵射电望远镜设计新颖,技术简单,造价便宜。
1955年3月《科学美国人》刊登了克劳斯教授的文章,描述了有关望远镜的设计思想。传统的射电望远镜的天线是旋转抛物面或球面,大多数可以对天体进行跟踪观测,天线可以指向天空的不同方向。但是,克劳斯教授设计的是一个固定的抛物线状反射面天线,制造起来容易得多,也便宜得多。虽然它不能跟踪天体,但是由于奇妙地利用一个在赤纬方向可调的平面反射镜,使望远镜可以观测天球北纬63°到南纬36°之间的广阔天空的射电源。建造可跟踪的大型射电望远镜需要的经费巨大,技术难题也多,往往会使"美好的愿望"变成泡影。
他的设计思想却是:钱有限,成本越低越好;灵敏度重要,天线面积越大越好。这个望远镜几乎全部是他的学生帮助建造的,人工费很便宜。研究生鲍勃·纳什建造了这个射电望远镜的模型;约翰·胡佛参加了钢梁形状、螺钉大小和焊接接缝的设计;劳·马立克以他丰富的电焊工经验参加工地上实际操作,并教会了一批学生学会焊接;大卫·李普哈德在反射面桁架的设计方面提供了特殊的新想法;敏感参数放大器也是学生尤诺海拉在新泽西的贝尔电话实验室建造的。
庞大的射电望远镜必须有足够大的地方作为台址,还要求无线电干扰很小。后来找到了属于俄亥俄州卫理斯大学的一块8公顷的地皮,建起了射电天文台。从1962 年正式投入观测,红红火火的渡过了近40年。这个原本靠众多志愿者参加工作,甚至提供经费以搜索地外文明的射电天文台本来困难就很多,1997年末由于土地主人收回这块地皮,导致1998年初天文台关门和大耳朵射电望远镜被拆卸。
这个望远镜的设计很独特,可以说是独树一帜。后来俄国和法国同行效仿,相继建成了类似的射电望远镜。
大耳朵射电望远镜的结构
大耳朵射电望远镜是有3个足球场那么大,由三部分组成。第一部分是可调倾斜角度的平面反射面,长103.6米,高30.68米。1958年克劳斯教授开始设计可调倾角的平板反射面。他设计了许多不同的方案控制和调整反射面的倾斜度,最终采用了钢缆绳来转动一个轮子的方法。
在平面反射面对面是一个竖立着的固定抛物线柱形反射面,长110.4米,高21.3米。这个反射面可以把投来的射电波聚焦到它的喇叭馈源处。这两个反射面都是由钢材制成的支架和金属丝编成的网组成。网孔的大小使网对来的射电波的反射效率与金属面的差不多,也就是网孔小于1/21波长。
平面反射面和抛物线柱形反射之间的间距是152.4米,这块长152.4米、宽110.4米地面是用铝板与混凝土混合物铺就的。在抛物线状反射面的前面有2个喇叭状馈源,固定在一个可调节位置的装置上。
来自空间的射电波首先到达可转动的平面反射面,然后把信号反射到对面的抛物线状反射面,然后聚焦到馈源喇叭处。由于抛物线状反射面是固定的,平面反射面只能在赤纬方向调整倾角,因此射电望远镜不能跟踪射电源。由于地球自转,射电源每天将扫过望远镜的方向束一次。观测几天以后,调整平面反射面的角度使方向束稍微向上或向下移动,然后重复观测几天。用几年的观测就可以巡完整个天空。在观测频率1415MHz上望远镜的方向束是椭圆形的,在赤纬方向是40角分,赤经方向是8角分。
大耳朵射电望远镜的灵敏度在那时是相当高的,相当于525米直径的圆盘状天线的灵敏度。主要的工作频率是1415MHz,另外还有 2650MHz和612MHz。
"哇!"(Wow!)一声震惊世界
1962年大耳朵射电望远镜正式投入观测,开始的观测课题属于射电天文学方面。最先的课题是观测研究仙女座大星云,之后是一连串的巡天。1970年初完成了第一个射电天图,曾发表近2万个射电源的星表,其中60%的射电源是前人没有观测到的。到了1973年望远镜的工作就转向搜索地外文明这个神秘的课题。
银河系中有2000多亿颗恒星,类似地球条件能容纳生命存在的行星系统是可能存在的。地球之外的文明社会可能处在不同的发展阶段,自然也会有处在无线电技术发达的文明社会。这就是为什么我们要利用射电天文望远镜来搜索地外文明的原因。天体发射的无线电波和地球上人工制造的无线电波最大的不同是:前者具有非常宽阔的射电谱,而后者则只有很窄的频带宽度。因此,搜索地外文明所用的接收机系统是采用多个窄带频率通道的接收机。大耳朵射电望远镜在1973年用的是在21厘米波段的8通道接收机系统。1983年则采用了50通道的接收机,到了1995年,新的接收机有400万个通道。
长年累月的观测所获得的数据量自然是出奇的多,从中找出地外文明发来的信号比在装满了铜针的干草堆中寻找一根金针还难,因为谁也说不清楚外星人发来的信号究竟是怎么样的。
搜索工作就是要接收和记录下到达天线的射电信号,并对这些信号进行辨别,发现可疑信号,再进行研究。
大耳朵射电望远镜在1977测到了一次来自人马座方向的引人入胜的爆发!,观测频率是1420MHz。当时在场的志愿观测人员杰利·埃曼潦草地在记录纸上写了"Wow!"(嗬!),从此出了名。这个信号很强,频带很窄,方向性很强,可以判别是来自地球之外的空间,但与天体的射电辐射特征不同。由于1420MHz是射电天文保护频率,不许使用,这也就排除了人造卫星的信号的可能。人们都猜想,这极可能是地外文明社会发来的信号。一时间不仅是大耳朵射电望远镜,世界上许多射电望远镜都对准"Wow!"出现的那个方向,反复进行观测,希图再度接收到这样的信号,进而破解这个秘密,但一无所获。这个悬案太吸引人了,直至21世纪的今天,还有天文学家利用最强大的美国甚大阵射电望远镜(VLA)进行搜索。
至今我们仍不知道"Wow!"信号是什么 ?也可能永远不会知道。