阿雷西博望远镜的坍塌给其他老化的天文台敲响了警钟

自1963年在美国波多黎各森林山丘中一个碗状天然sinkhole中建成以来，著名的美国阿雷西博天文台经受住了各种威胁。它经历了从飓风和地震到联邦预算大幅削减的一切。正因如此，上周发生的事情才更令人震惊：多根大型悬索电缆的灾难性故障导致一个900吨（817公吨）的设备平台笔直坠落，穿过阿雷西博的核心——305米射电天线，将其彻底摧毁。随着天文台可耻结局的消息传开，全球各地的人们——包括许多专业天文学家在内——几乎像失去了一位老朋友一样哀悼。

然而，这种损失对世世代代的波多黎各人来说感受最深，他们在阿雷西博看到的不仅仅是一个类似于该岛雨林和朗姆酒的文化象征。“作为一个世界著名的科学设施，阿雷西博为保卫我们整个星球提供了宝贵的数据，它是许多波多黎各人通往科学的大门，”休斯顿月球与行星研究所的行星科学家埃德加·里维拉-瓦伦丁说，他的职业生涯像许多人一样，都受到了该天文台的影响。“我花了一段时间才能够观看平台坠落的视频。”

在善后工作中，一个令人不安的问题仍然存在：现在该怎么办？当官员们在天文台可怕的残骸上徘徊时，他们必须决定是重建和升级它，无论成本如何，还是放弃任何复兴的希望，将可能用于资助阿雷西博重建的资金投入到新的项目中，这些项目或许可以填补这个传奇设施留下的空白。

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这种困境象征着整个天文学界，尤其是在美国，面临的一个存在性问题：在联邦资金停滞不前或缩减的时代，在维护现有天文台和建造创新型新天文台之间取得平衡真的有可能吗？换句话说，我们是否必须为了给新的事物让路而碾碎旧的事物？阿雷西博的死亡和试图复苏是这种冲突的浓缩，或许也为国家遗留天文台的未来提供了一个窗口。

现场摄像头捕捉到的阿雷西博灾难性坍塌。图片来源：卡洛斯·佩雷斯/阿德里安·巴格/NSF。

阿雷西博，这就是你的一生

在中国五百米口径球面射电望远镜（FAST）于2016年建成之前，阿雷西博拥有世界上最大的射电天线——能够听到来自宇宙夜空中各种天体发出的最微弱的无线电波。与FAST和美国其他所有射电望远镜（加利福尼亚州戈德斯通深空通信综合体除外，劳伦斯利弗莫尔国家实验室的行星防御研究员梅根·布鲁克·赛亚尔指出）不同，阿雷西博不仅能够接收来自遥远太空的无线电波，还能够发射无线电波。这使得该天文台成为少数几个能够向行星、卫星和小行星反射雷达波束，从而对其形状和表面进行非常高分辨率测量的设施之一。

几十年来，研究人员利用阿雷西博卓越的能力，一项接一项地完成了令人惊叹的空间科学壮举。这些壮举包括为引力波的存在提供了第一个证据，以及探测到第一个重复快速射电暴。该设施在确认最早的已知系外行星之一方面发挥了关键作用。它也是阿雷西博信息的来源，这是一份在1974年发射到星际空间的宇宙公报，在其特定波长上，短暂地超越了太阳的光芒。

但随着时间的推移，技术不断进步，对具有突破性能力的新天文台的需求变得清晰，阿雷西博的主要资助者和管理者——国家科学基金会（NSF）开始认为该天文台已经过了鼎盛时期。2006年的一份高级审查报告建议，除非有其他实体介入资助，否则阿雷西博应在2011年后退役。来自科学界以及政治家和当地居民的压力使天文台免于这种命运，但此后，NSF一直在削减其年度运营资金，并一直威胁要将其退役。

到2017年，NSF支付了阿雷西博1200万美元年度预算的三分之二左右，NASA弥补了剩下的三分之一。但到2019联邦财政年度，该设施的运营和维护年度资金已降至约700万美元。NASA当时的支持水平约为400万美元。（那一年，NSF还通过一项国会法案向阿雷西博提供了超过1200万美元的飓风相关维修费用。）这种资金下降势头将持续到2020年代，这清楚地表明，无论如何，NSF最终都将摆脱阿雷西博。

行星协会高级太空政策专家凯西·德雷尔说，问题在于，经通货膨胀调整后，NSF用于资助阿雷西博（以及其他许多项目）的基础研究预算在过去10多年中一直相对持平。这笔资金基本上由国会决定，NSF必须尽其所能，利用所获得的资金实现当下最相关的科学目标。

那么，对于一个资金紧张、但拥有许多老化但具有科学能力的天文台的机构来说，该怎么办呢？

独一无二

由于其独特的能力和令人震惊的消亡，阿雷西博的案例尤其极端，但它仍然符合许多其他遗留天文设施的共同困境：我们是尽可能长时间地维持它们的运行，还是在某个时候接受它们不再值得了？

在波多黎各国内外，许多天文学界人士倡导重建阿雷西博的理由，在于其能力的独特性。确切地说，阿雷西博能做哪些其他天文台做不到的事情？

康涅狄格大学的引力波天体物理学家基亚拉·明加雷利是NANOGrav项目的成员，该项目通过它们应该对来自散布在天空中大量脉冲星的节拍器般的无线电脉冲的到达时间产生的细微变化，来寻找纳赫兹频率的引力波。人们认为，这种波——尚未通过这种“脉冲星计时阵列”方法得到确凿的证实——来自正在合并的超大质量黑洞对。阿雷西博一直在监测NANOGrav目标脉冲星的一半。

“我们仍然可以进行[脉冲星计时]。只是阿雷西博在这方面真的非常出色，”明加雷利说。“我们失去了我们的明星四分卫。”她补充说，与世界其他地方（例如欧洲和澳大利亚）的其他射电望远镜的国际合作将有助于弥补这一部分不足。中国FAST、南非MeerKAT和印度巨型米波射电望远镜等能够研究脉冲星的新兴力量都有能力提供帮助。但阿雷西博的损失并非微不足道。“我们不仅仅需要一台这样的望远镜，”明加雷利说。“我们需要很多这样的望远镜，这样我们才能观察整个天空。”

保罗·弗雷雷是德国波恩马克斯·普朗克射电天文学研究所的天文学家，他从2001年到2009年使用阿雷西博寻找脉冲星。当时，它是世界上同类工作中灵敏度最高的望远镜。他说，其他望远镜目前还无法与之媲美。

FAST更灵敏，但至少目前而言，由于各种问题，它无法完美替代阿雷西博。首先，与该望远镜的任何国际合作都需要通过复杂的政治障碍，一系列的检查和官僚障碍，这可能是中国日益增长的软实力的体现。

相反，阿雷西博的政策非常开放。“你提交一份提案。如果它有价值，它就会获得望远镜的使用时间。就是这样。他们不在乎你来自哪里，”弗雷雷说。幸运的是，MeerKAT可以在脉冲星搜寻方面提供帮助。“对于脉冲星来说，你想看到的位置在南半球，因为我们银河系的中心在南半球。在那里，天空中充满了脉冲星，”他说。“但是，[MeerKAT]仍然只有阿雷西博灵敏度的三分之一——或者曾经有过的。”与阿雷西博相比，FAST的频率范围也略有受限。而且与后者不同，它没有多个发射雷达系统。“对于目前的美国来说，没有哪个设施能够取代阿雷西博的能力——在高灵敏度天文学方面，”弗雷雷说。

阿雷西博可以调谐到附近恒星的活动。这些观测让包括阿雷西博波多黎各大学行星宜居性实验室主任阿贝尔·门德斯在内的科学家们了解了一颗行星邻域的恒星熔炉可能有多么恶劣或无害。如果围绕我们太阳的邻近恒星之一运行的世界拥有强大的极光，甚至可能存在技术文明，阿雷西博的灵敏度足以让它有机会探测到由此产生的无线电 chatter。门德斯说，FAST设施应该提供类似的灵敏度，但他担心后勤问题——尤其是前往中国进行潜在现场工作的困难。

阿雷西博也是我们监测危险太空岩石的最重要的哨兵之一。虽然它不适合搜索此类物体，但该天文台擅长描述单个样本的特征：如果另一台望远镜发现一颗可能与地球发生碰撞的小行星或彗星，阿雷西博可以对其进行更仔细的观察。

布鲁克·赛亚尔说：“在行星防御方面，阿雷西博在描述近地小行星的详细形状方面具有无与伦比的能力。”反过来，了解一颗具有威胁性的小行星的形状，有助于预测它可能如何对使用核炸药或动能撞击器的偏转尝试做出反应。阿雷西博还可以非常精确地确定近地小行星的位置，从而更准确地预测它们的轨道路径。“这对于降低小行星未来是否可能撞击地球的不确定性至关重要，”布鲁克·赛亚尔说。

亚利桑那大学行星科学博士生亚历山德拉·斯普林曼说，NASA的深空网络（用于与整个太阳系中的航天器对话的射电望远镜集合，包括戈德斯通天文台）也具有发射能力，她曾在阿雷西博工作了两年。这使其适用于各种行星雷达观测，包括小行星特征描述。“然而，我相信，使用阿雷西博，你可以观察到的小行星数量是戈德斯通的20倍，”她说。“阿雷西博的灵敏度是戈德斯通的18倍。而且阿雷西博具有戈德斯通和深空网络所缺乏的调度灵活性。”

即使是望远镜的位置也是独一无二的。波多黎各是强烈地震和飓风的热点地区。但该岛屿的优势在于其大型石灰岩sinkhole，非常适合巨型射电天线。与大多数其他可能用于建造超大型天文台的地点不同，波多黎各还提供预先存在的基础设施，从道路到电力线。斯普林曼说，重建将是艰难且昂贵的。但它仍然比在其他地方建造一个新的大型射电望远镜更容易。

然而，重建阿雷西博最令人信服的理由可能归结为它与日常波多黎各人的联系。几十年来，天文台一直是科学教育和推广的中心，并通过带来高薪工作和稳定的游客 поток 可靠地促进了当地经济。“当我们努力建造科学设施以实现这一目标，并通过该设施吸引公众参与时，我们就签订了一份社会契约，并承担了这些责任，”里维拉-瓦伦丁说。换句话说，放弃阿雷西博的危害可能会远远超出稀薄的天文学领域。

严峻的现实

即使在死亡之后，阿雷西博也表明，NSF在其老化的天文台方面存在一个棘手的问题。

位于弗吉尼亚州夏洛茨维尔的国家射电天文台主任托尼·比斯利说，我们的社会支持天文学主要有四个原因：进行科学研究以找到我们在宇宙中的位置；通过将天体物理现象与当地事件进行比较来学习基础物理学；培养新一代科学家、工程师和精明的公众成员；以及激发技术进步。“当您想到阿雷西博时，它仍然在出色地完成其中三项任务。它在科学研究方面也做得相当不错，”他说。

“这就是NSF在这些设施方面面临的困境。它们都在出色地观察宇宙中奇异的地方，培养出色的人才和技术，以及各种此类事物，”比斯利说。“科学可能不是纽约时报头版[材料]，但它非常棒。它们都是墙上的一块砖。”

弗雷雷说，虽然近年来，光学和红外天文学一直是研究活动的热点，但阿雷西博帮助保持了射电望远镜界的活力。此外，他补充说，尽管天文台年代久远，但多年来的多次升级几乎使阿雷西博一次又一次地成为一台新的望远镜。

但比斯利说，望远镜的附加组件是有限制的。这有点像在智能手机上的相机上添加改进的镜头：最终，手机不可变的架构将限制您可以拍摄的照片的类型和质量。阿雷西博是射电天文学领域名副其实的巨头，这要归功于其巨大的天线尺寸和相关的惊人灵敏度。但是，这种巨型天线的权衡取舍不会通过升级来解决：例如，它可以观察的有限频率带和天空的缩小视野——阿雷西博的天线嵌套在其sinkhole中，无法转向指向天空中的任何位置。这些限制意味着，即使升级了奇妙的新功能，其灵敏度也不会发生显着变化。

可悲的是，阿雷西博的内爆现在使得证明其持久价值的论点更加难以成立，因为维修和升级远比从一堆碎片中重建某些东西便宜。“底线是：如果你已经拥有它，并且它正在工作，你可以对电子设备和关键系统进行升级，然后开始进行你的科学研究，”比斯利说。“这始终值得寻找。但如果它坍塌了，你必须重建它，那就是另一回事了。你可能在谈论的是两个数量级不同的投资。”

新的项目当然可以使用可能用于重建阿雷西博的资金。但买家要当心：“新颖、闪亮的东西的问题在于，它们可能会坏掉，它们可能比你想象的要花费更长的时间，它们可能会超出预算，而且你最终得到的东西实际上并不是你一开始想要的东西，”明加雷利说。

“你可能会关闭很多望远镜，仍然无法支付其中一台新望远镜的运营费用，”比斯利说。当涉及到旧的和新的事物时，没有简单的答案。

阿雷西博的尸检

在一次媒体简报会上，NSF天文学部门主任拉尔夫·高姆似乎表示，该机构正在将阿雷西博望远镜的情况视为彻底的尸检。他说，关于重建射电天线或将该地点恢复到自然状态的任何决定都将是一个“多年的过程，涉及国会拨款以及科学界的评估和需求”。

不过，其他人已经在应用阿雷西博的教训来规划未来。阿雷西博天文台主任弗朗西斯科·科尔多瓦说，射电天线的破坏揭示了较新的望远镜可能遇到的潜在问题。阿雷西博的传奇故事——随着时间的推移，它的资金被慢慢耗尽——应该成为其他设施的警示故事。镍币和美分地削减遗留天文台的资金可能有助于平衡预算，但由此带来的运营不确定性和低效率可能会对实际进行科学研究产生深刻的破坏性影响——反而降低了首先保持老化设施运转的好处。

NSF采取的一种解决方案——将阿雷西博的所有权转移给私营实体或财团，以减轻该机构的责任——提供了“另一种做好事情的方式”，科尔多瓦说。在老化站点接近其科学表现高峰期时对其进行拍卖，将为它们提供第二次生命的最佳机会。然而，这些努力并不能保证奏效：多年来，NASA一直试图通过将老化的斯皮策太空望远镜以一大笔但公平的价格转交给私营部门来“拯救”它。然而，最终，没有达成任何交易，斯皮策在今年早些时候被关闭。

无论如何，阿雷西博的悲惨衰落表明，慢慢地从现有设施中抽走资金以支持新项目是危险的，并且根本不能保证导致净正面结果。“我认为在许多人看来，多年来，NSF只是没有为该设施提供足够的资金，”布鲁克·赛亚尔说。“而这现在是显而易见的。[射电天线的坍塌]是对这样一个标志性天文台资金不足的后果。你不能永远靠微薄的预算维持它的运转。”

然而，金钱无法解决一切问题。科尔多瓦说，在阿雷西博的案例中，该设施的一些结构退化很难（即使不是不可能）使用无损技术看到。这种情况意味着，即使一个资金充足的财团一直在管理天文台，并使用相同的维护技术进行相同的检查，它也不会发现致命的电缆退化。科尔多瓦代表中佛罗里达大学目前的管理团队补充说，该团队“从未因缺乏资金而在任何时候停止对结构执行维护任务。”

像科尔多瓦一样，弗雷雷在康奈尔大学管理该站点时曾在阿雷西博工作过，他不认为坍塌是由直接疏忽造成的。“我认为大自然对该结构特别不友善，”他说，他指的是最近的地震和2017年的飓风玛丽亚。“我认为这可能是电缆强度远低于预期的主要原因。”

但资金减少肯定没有帮助。虽然阿雷西博的维护工作没有停止，但它是经过分类的。“[天文台]拥有的很多资金，用于维护的备用资金，然后用于被认为更紧迫的任务，”弗雷雷说。近年来，来自空气盐的腐蚀一直是该设施管理者不断担心的问题。“人们不太担心电缆，”弗雷雷补充说。

如果你正在努力在可靠的主力军和新颖的项目之间取得平衡，那么代表权也很重要。“我认为更容易忽视或低估美国大陆以外的设施的资金”，并希望没有人注意到，布鲁克·赛亚尔说。“例如，波多黎各没有参议员来更积极地为它辩护，这可能损害了该设施的资金。”

然而，归根结底，NSF维护旧天文台和规划新天文台之间的紧张关系的原因在于它获得的资金。行星协会的德雷尔说，这种安排“有点疯狂，对吧？”。“我们谈论的是阿雷西博不得不争夺的区区数百万美元，而美国的年度预算约为4.5万亿美元。这就是我们的科学被挤压的程度。我们所有的基础研发——包括[国立卫生研究院]、包括NASA、包括NSF——我们仍然只谈论每年约800亿美元，在4.5万亿美元的预算中。”这种情况在一些人看来是毫无意义的：正如中国和欧洲等其他国家寻求在国际舞台上取得科学优势一样，比斯利说，他的同事们正在问，“我们为什么要在这件事上屈服？”

“在天文学领域，我们正处于那个时刻，那个拐点，我们必须就世界领导地位以及美国成为像天文学这样的领域的世界领导者的好处做出非常明确的决定，”他说。“资金的流向反映了价值观。”那么，考虑到阿雷西博的复杂传奇故事，美国人真正面临的是一个关于他们希望美国成为什么样的国家的根本问题。