心怀宇宙天地宽分享 http://blog.sciencenet.cn/u/陈学雷 国家天文台研究员,从事宇宙学研究

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帕克斯天文台之夜 (2) 精选

已有 9131 次阅读 2013-6-5 00:04 |个人分类:所见所闻|系统分类:海外观察| 天文台

续前文 http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=3061&do=blog&id=696445


下午,李斯特尔来了。我们这个项目的参加者总共有近二十人,分布在好几个不同的国家和地区。这次有四个项目成员前来参加观测:澳大利亚的李斯特尔(Lister),我和我的研究生小李,还有来自台湾的小廖。不过,我们当中只有李斯特尔用过这一望远镜,他是澳大利亚一位相当资深的射电天文学家,观测经验非常丰富。

晚上7点,李斯特尔和我准时走进了二楼观测室,丹尼和帕克斯的一位工程师也在那里。我们将选用多波束接收机进行观测:抛物面状的天线把电波反射到主焦点上,馈源将这些信号馈入电路,经放大后转换成随时间快速变化的数字信号,数字相关器则处理数字信号,通过傅立叶变换给出其频谱,或者再做一些其它处理。帕克斯的多波束接收机有十三个喇叭状的馈源,每个有两个偏振方向,每个馈源指向稍稍不同的方向,这样我们就可以同时观测更大的一片天区。这台接收机本来有自己的数字相关器,不过,丹尼研制的数字相关器有更宽的带宽和更好的性能,因此我们将同时使用这两个数字相关器。李斯特尔和丹尼讨论了一会儿所用的中频设置,然后把参数写在白板上,帕克斯的工程师则忙着调整接收机的增益设置。然后,李斯特尔开始教我用计算机控制望远镜的指令,随后开始试着接收数据。


二楼值班室控制望远镜用的计算机

帕克斯望远镜计算机控制系统的软件用一些鸟的鸣叫声报警:那些清脆、悦耳的叫声表示程序正常执行完毕,呱噪声表示有一些不正常的地方,而凄厉的叫声则表示严重的问题。一开始我们有许多凄厉的叫声,丹尼和那位工程师试验、修改着各种设置,经过一个多小时后,鸟鸣声终于变得好听起来。有一个馈源的一路偏振信号不正常,但无法可施,只好放弃它了。但除此之外,剩下的信号都正常,系统运行步入正轨,于是丹尼和工程师离开了。李斯特尔在计算机上编写好一个自动控制脚本,随着脚本执行望远镜便开始正常运行起来,这时已经10点了,我建议李斯特尔回宿舍去吃晚饭:按照规定,必须有一个人值守,我先值守,等他吃完了我再去吃。谦让了一下之后李斯特尔走了,过了大约半个小时他回来了,很不满地说,晚饭只是一根骨头!我回去后发现,的确如此,预先放在冰箱里的晚饭是一根羊的腿骨配土豆泥和豌豆,腿骨上的肉又少又硬,实在很难吃!回到望远镜值班室,李斯特尔又教了我一些望远镜的控制指令。

过了午夜,我建议李斯特尔回去休息,我则留下值班。在帕克斯,这是所谓的“一人值塔”(one-man-in-tower)观测模式,为了安全,对这一模式他们有一套特殊的规定。塔内有自动计时器,每隔15分钟我必须按一次,否则(比如我睡着了或晕倒了)系统就会通过电话自动向一个预先指定的人报警——他必须离现场不远,这一次我们指定的当然是回到宿舍的李斯特尔,他接到报警必须查看我的状态,确保我平安无事。如果他也没有反应(比如睡得太死了),过一会儿后系统将向专门的保安公司报警,后者会来查看情况,这是一个帕克斯独有的制度。

冲上一杯咖啡,我开始阅读李斯特尔教我的这些控制指令的手册,琢磨着怎样控制这台望远镜。对于我来说,进行这种观测是一种全新的经历。当初我在大学里学习的专业是理论物理学,笨手笨脚的我很高兴从此和做实验说byebye。那时我从未想到自己将来会再做实验或者观测,因为我曾读到过杨振宁先生写的一篇文章,他说费米是最后一位既做实验又做理论的物理学家,而费米在上世纪50年代就已去世了。那时我想象中的理论物理学家是象爱因斯坦那样,在书桌或黑板前冥思苦想,构造抽象、复杂的理论模型。也许,还会花一些时间在计算机前编程,画出一些曲线以便和别人的实验结果加以比较。后来我发现自己对这一职业的设想大部分还是比较准确的,但是在宇宙学或者更一般地说天体物理这个学科里,理论和观测之间的鸿沟并不象杨先生所说的那么大,许多天文学家可以既做理论又做观测。更出乎我意料的是,在学生时代令我十分讨厌的实验和观测却突然变得相当有吸引力了。现代物理学的理论是非常抽象的,你必须抛弃很多在日常生活中早已习以为常的直觉和概念,因为宇宙本身是非常奇怪的。因此,现代的物理学理论,把一系列复杂、精密的实验结果,总结成诸如相对论协变性、叠加原理、规范对称性、超对称性等等这些数学上的抽象性质,然后你设想一些多维空间、粒子、场、弦、膜等等各种非常玄妙的东西,试着用这样构造的理论去解释充斥着宇宙而人们却又无法看到的暗物质、暗能量,或者描述大爆炸之后10的负三十几次方秒的暴胀宇宙。当你发表了一些这样的论文并被同行们引用之时,一方面你为自己的聪明才智自鸣得意,另一方面有时也会产生一种怀疑:这些理论真的和现实世界有关吗?还是仅仅是一种幻想或者数学游戏?有时你情不自禁地会想亲自动手检验一下这些理论,而幸运的是,在天文里这竟然还是可以做到的!

天渐渐亮了,我的第一次观测就要结束了。我终断了正在运行的计算机控制系统脚本,发出指令让望远镜指向天顶。现在计算机其实还只能把帕克斯望远镜近似指向天顶,最后移动到停放位置还要手动。我爬上三楼,完成了手动关闭程序,望远镜稳稳地停在指向天顶的位置,然后走回宿舍睡觉。

睡了一上午后,我起身离开宿舍,回到望远镜旁。为了节省开支,帕克斯天文台不再为来访的天文学家准备午餐了(但还有早餐和晚餐)。宿舍里到处都贴着通知:要吃午餐就到碟咖啡馆(Dish Cafe)去。碟咖啡馆就在望远镜旁,离望远镜不到一百米,那是帕克斯天文台的一个游客中心,每天白天开放,招待旅游者,游客中心里面有关于天文和这台望远镜的展览,还有纪念品商店,碟咖啡是它的餐馆,也是方圆几公里内唯一的餐馆。作为天文学家去那里吃午餐有优惠价。

正如我们中国人喜欢把圆形的抛物反射面天线俗称为“锅”一样,在英语里这种天线被俗称为“碟”。碟咖啡馆这个名字,与2000年的一部电影“碟”(Dish)有关,这是当年澳大利亚最热映的一部故事片,讲述的就是帕克斯天线的一个故事。故事发生在我出生的那一年——1969年,当时美国发射了阿波罗11号飞船,尼尔·阿姆斯特朗成为第一个登上月球的人,在这次载入人类史册的壮举中,帕克斯望远镜(“碟”)也立下了功劳,它负责接收从月球传来的电视信号,因此我们看到的尼尔登上月球的画面,就是来自这里。这部电影的故事情节颇为生动:几位澳大利亚科学家在帕克斯值守望远镜,他们中有一人与美国NASA派来的代表发生了冲突,由于意气用事,忘了在备用发电机中加上柴油,结果阿波罗飞船发射后,在一次断电事故中,望远镜失去了对飞船的跟踪。恰在这时,澳大利亚首相来参观,为了澳大利亚人的骄傲,几位科学家没有透露真相,而是假装一切正常,还用对讲机假装尼尔·阿姆斯特朗说话,骗过了首相。应付完首相来访之后,问题是如何恢复对飞船的跟踪,由于他们假装仍保持着跟踪,因此不能向NASA询问飞船的坐标。主人公进行了复杂的轨道计算,试图预测飞船的位置,但忙了一夜却还是无法找到飞船信号。最后,清晨时精疲力尽的主人公走出望远镜控制室,看到天上的月亮,突然恍然大悟,把望远镜对准月亮,终于找到了飞船。在飞船登月那一天,帕克斯刮起了狂风,一般说来在这样的风中是不能使用望远镜的,但是为了这一关键时刻,帕克斯望远镜还是坚持工作,终于成功地收到了转播信号。这部电影拍得极有真实感,也很有澳洲风情特色,许多观众(也包括我)当年看了都以为这故事是真的——或者至少也差不多吧。不过,游客中心的展览里说明,这些戏剧化的情节都是虚构的,其实当时为了转播,有几十个NASA和澳大利亚科学家在帕克斯天文台工作,他们之间并没有发生什么冲突,也从没有跟丢过阿波罗飞船,甚至首相当时也没有来参观过,唯一实际发生的情节是在狂风中完成转播!不过,尽管情节是虚构的,电影拍摄的技术细节则是极为逼真的:外景是在望远镜上实景拍摄的,而望远镜控制室的内景,则严格按照当年的实际情况复现,好些控制台设备“道具”其实就是已经被更换下来的当年用过的实际设备!这些道具现在还放在游客中心的展厅内,可以看到,由于当年没有计算机自动控制系统,这些模拟电路的控制设备操作起来比我们今天的要复杂得多!


游客中心展厅内展出的1969年时用的控制台

下午,小李和小廖也到帕克斯了,他们俩由于签证的延误,未能赶上第一天的观测。下午7点,我们四人一起来到控制室,丹尼已在那里了。我们的观测开始得不太顺利,系统原有的数字相关器无法正常工作,不过丹尼的新系统看上去倒是正常的。我们按照手册中的纠错指南一项项地排查,李斯特尔打电话给昨天来的那位工程师询问,按照他的指示,我们来到三楼,打开了数字相关器的机柜,有几个系统时间同步的状态指示灯显示红色,表明有故障。工程师告诉我们不要拔电源,要按重启键。李斯特尔试着按了重启键却毫无效果,指示灯一直亮着。他琢磨了一番,似乎没有别的可以动的开关了,所以最后还是走到机柜后面,拔掉了电源,重新插上后系统重启,指示灯终于变成绿色,一切正常了。

小李和小廖刚飞了十几个小时,疲惫不堪,我们让他俩和丹尼一起回宿舍休息去了。李斯特尔教会我如何用控制室内的计算机完成数据的波段定标和格式转换后也回宿舍了,今天仍然是我值夜——由于以前观测经验不多,我很愿意借这个机会多值几次班,因此李斯特尔要和我轮换,我也和他说不必了。有了昨日的经验,我今天感到很轻松,李斯特尔走后,我走到塔外想看看夜空。在单人值班模式时,允许值班员走到塔外呆5分钟,但天上布满了云,什么也看不见,只好又走回了值班室。

天文学观测受到大气层很大的影响。不用说云了,就是没有云的时候,紫外线、红外线也会被大气所吸收。随着宇宙的膨胀,星系发出的光的波长会在传播过程中随之变长,由于红光在可见光中波长较长,因此天文上称为红移。如果宇宙膨胀了一倍,那么波长也增加了一倍,红移值就是1,如果宇宙膨胀了两倍,那么波长也增加两倍,红移值就是2,如此等等。对于那些遥远的、红移在0.8以上的星系来说,它们发出的大部分光都被红移到了红外线波段,而地球大气的红外吸收很强烈,因此从地面上就很难观测了。不过,幸运地是,在我们这射电观测的频段,电波基本不受大气和云层的影响。我们这次用帕克斯射电望远镜所要“看”的,是星系内的大量氢原子发出的波长为21厘米的波,它也被红移到更长的波长了,却依然可以穿透大气被我们接收到,因此我们希望着将来能够用射电望远镜,看到来自更高红移的波。不过,我们这次的观测,红移并不高,只有0.2,在这一红移范围内,澳大利亚天文学家曾做过一个大面积的光学巡天,叫做2dF巡天,测量了许多星系的位置,我们准备把观测到的射电信号与这次光学巡天进行对照和相关,以便更好地理解射电信号,为将来更高红移的观测做准备。

夜慢慢过去了,天边先是出现鱼肚白,接着就出现了极为美丽的玫瑰色朝霞。我再次走出塔外,试着跑远一点,以便照下这朝霞中的大望远镜,但不敢离开值班室太久。太阳升起来后,象昨天一样,我停好望远镜,然后回宿舍去睡觉。

 


朝霞中的帕克斯64米望远镜


未完待续



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