ALMA，組大團(tuán)~望深空~

2020年2月，一冊神秘的“彩超”影集點(diǎn)燃了眾多天文學(xué)家的熱情。她，娓娓道出，獵戶座分子云中，新生代恒星如何在自己的胚胎期就已為行星的“呱呱墜地”悉心準(zhǔn)備。而圖片中藍(lán)色影像上所標(biāo)注的四個字母“ALMA”，讓不少人覺得似曾相識。YES！黑洞照片！2019年4月，人類歷史上第一張黑洞照片橫空出世時，仿佛也是它，在“甜甜圈”所帶來的視覺沖擊中，若隱若現(xiàn)，猶抱琵琶半遮面~

那么，ALMA到底是什么？特別之處在哪里？它能做些什么？今天，就讓我們帶著這些問題，與大家一起，揭開這位幕后英雄的神秘面紗，一睹其廬山真面目……

神秘“彩超”，ALMA科學(xué)成果圖 | 圖源：ALMA

ALMA是什么？“?！钡?jīng)]朋友的望遠(yuǎn)鏡陣列……

ALMA，發(fā)音“阿爾瑪”，全名“阿塔卡瑪大型毫米波/亞毫米波陣列”（Atacama Large Millimeter/submillimeter Array），位于智利北部阿塔卡瑪沙漠里的查南托（Chajnantor）高原上。那里海拔5000米，空氣干燥 ，人煙稀少，是全世界公認(rèn)的天文觀測絕佳之地，擁有內(nèi)陸最優(yōu)的毫米波/亞毫米波地面觀測條件。ALMA是四大洲聯(lián)手的杰作：由歐洲、北美和東亞合作建造，安放于南美洲的智利。它于2003年破土動工，2013年3月正式投入使用，可謂“十年磨一劍”。

ALMA科普漫畫 | 圖源：紫金山天文臺

ALMA是目前全球最大規(guī)模的射電天文觀測設(shè)備，是一個由66架拋物面天線組成的干涉陣，包括54架12米口徑的天線和12架7米口徑的天線。它的威力主要來自它的好“眼神兒”：高空間分辨率和大集光面積。ALMA巧妙地以陣列形式，讓66架天線聯(lián)合作戰(zhàn)（干涉），天線彼此間距最長達(dá)16千米，實(shí)現(xiàn)了相當(dāng)于一臺口徑16千米單天線的空間分辨率，在最短工作波長的空間分辨率比哈勃望遠(yuǎn)鏡都高出約10倍。66架天線同時收集信號，成就了集光面積最大的毫米波/亞毫米波望遠(yuǎn)鏡，可以看到更暗弱的信號。

ALMA，看別“鏡”所不能看，名副其實(shí)地成為茫茫黑夜里，毫米波/亞毫米波天文學(xué)家看深空最明亮的眼睛。

ALMA組成示意圖 | 圖源：紫金山天文臺

ALMA的特別之處在哪里？毫米波/亞毫米波……

顧名思義，ALMA的工作波段“毫米波/亞毫米波”是其特別之處。這個波段位于電磁波譜中射電的最短波段，是技術(shù)最難、對臺址條件要求最高的天文觀測波段。那么，為什么天文學(xué)家要在不同波段進(jìn)行探索和研究呢？主要原因在于，宇宙中天體或物質(zhì)產(chǎn)生的輻射各有不同。某些會落在特定波長區(qū)間，只有工作于該波長范圍的望遠(yuǎn)鏡才能對其探測；而有些雖然能在多個波段探測到，但其所呈現(xiàn)的影像大相徑庭，多波段共同研究可以更詳盡地對其進(jìn)行了解。

同一星系在不同波段下的呈現(xiàn) | 圖源：Chandra

大家耳熟能詳?shù)摹爸袊煅郏‵AST）”和“哈勃空間望遠(yuǎn)鏡”，與ALMA的區(qū)別之一便在于波段不同。FAST與ALMA同屬射電波段，但FAST的波長更長；哈勃空間望遠(yuǎn)鏡，則工作于可見光和紫外波段。ALMA所在的毫米波/亞毫米波段，其最大特點(diǎn)在于，可以穿透宇宙塵埃，使天文學(xué)家更好地理解被塵埃所遮擋的、宇宙形成更早期的狀態(tài)。

電磁頻譜圖 | 圖源：紫金山天文臺

ALMA當(dāng)前的工作波段覆蓋0.32-3.6mm，對應(yīng)頻率區(qū)間約80-950GHz（G：109）。除尚在研制階段的第一和第二波段采用半導(dǎo)體接收技術(shù)外，目前工作的八個波段均采用高靈敏度超導(dǎo)接收技術(shù)，即：超導(dǎo)隧道結(jié)（SIS：Superconductor-Insulator-Superconductor）混頻。其中，第三和第六波段由北美承擔(dān)研制；第四、第八和第十波段由日本承擔(dān)研制；第五、第七和第九波段由歐洲承擔(dān)研制。

ALMA工作波段分布和承研概況 | 圖源：紫金山天文臺

去年轟動一時的黑洞照片，讓許多小伙伴知道了事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT），EHT中毫無爭議的頭號功臣便是ALMA。而當(dāng)初有幸給黑洞拍照的，就是ALMA的第六工作波段（1.3mm/230GHz）。

在ALMA早期建設(shè)階段，紫金山天文臺的團(tuán)隊參與了第八和第十波段超導(dǎo)SIS接收機(jī)的研發(fā)，向ALMA工程貢獻(xiàn)了核心技術(shù)。黑洞照片拍攝的下一步計劃，極可能落在第八波段（850μm/350GHz）。讓我們一起期待黑洞那更為清晰的照片吧~~

ALMA能做什么？井噴！井噴！前方高能……

ALMA，作為一個有靈魂的望遠(yuǎn)鏡陣列，擁有著無與倫比的觀測能力和觀測效率。而它，從披上戰(zhàn)衣那一刻起，也確實(shí)沒讓全世界天文學(xué)家失望?；厥走^往，ALMA以其出色的科學(xué)表現(xiàn)，圈粉無數(shù)。尤其近3年，每年以近200篇的科學(xué)論文呈井噴之勢。當(dāng)我們點(diǎn)開ALMA網(wǎng)站上“discoveries”的頁面時，一大波令人震撼的科學(xué)成果與新發(fā)現(xiàn)，伴隨著一張張炫美的圖片，撲面而來。

那么，ALMA到底可以看什么……

從宇宙最遙遠(yuǎn)的存在，到我們的太陽系，ALMA縱覽無余。

◎ 恒星和行星的行成：恒星和行星都誕生于冷氣體塵埃的暗云中，一般望遠(yuǎn)鏡無法穿透塵埃，只能看到暗暗的區(qū)域。而在毫米波/亞毫米波波段，塵埃變的“透明”，ALMA可以清晰地看到其內(nèi)部狀態(tài)，目睹新生代恒星的誕生。

◎ 黑洞、星系起源與演化：ALMA作為一個可以“回到過去”的望遠(yuǎn)鏡，可以“回看”到宇宙的邊緣，從而給我們講述宇宙起源、超大質(zhì)量黑洞和星系形成最原初的故事。同時，還能探測到恒星生命走到盡頭時，超新星爆發(fā)所產(chǎn)生的塵埃，讓我們更好地了解恒星的整個生命過程。

◎ 化學(xué)復(fù)雜性起源：ALMA已經(jīng)成功地從星際空間探測到了氧氣、水、鹽，以及糖和一批復(fù)雜有機(jī)分子。宇宙中多樣的復(fù)雜有機(jī)分子和生命關(guān)聯(lián)物質(zhì)都出現(xiàn)在毫米波/亞毫米波段，ALMA可以使人類更好地探索化學(xué)復(fù)雜性起源。

……

最后，讓我們共享ALMA所帶來的視覺盛宴，攜手星辰大海的征途……

上：ALMA部分科學(xué)成果，（左）愛因斯坦環(huán)；（中）年輕恒星的原行星盤中發(fā)現(xiàn)復(fù)雜有機(jī)分子；（右）環(huán)繞新生恒星的雪線，行星及其衛(wèi)星的搖籃。下：ALMA全貌圖 | 圖源：ALMA

參考資料：

1）https://www.almaobservatory.org/en/home/

2）http://kids.alma.cl/category/discoveries/

3）https://chandra.harvard.edu/photo/2002/0157/

4）亞毫米波射電天文研究與ALMA國際合作項(xiàng)目項(xiàng)目建議書，紫金山天文臺等，2004.10.

5）聽說，“看見”黑洞是靠“三明治”？為硬核SIS打call！

作者簡介

李婧，中國科學(xué)院紫金山天文臺研究員，研究方向：射電天文、太赫茲探測和超導(dǎo)電子學(xué)。

楊戟，中國科學(xué)院紫金山天文臺研究員，研究方向：星際分子云與恒星形成、射電天文技術(shù)方法。

主編：毛瑞青

繪圖：張璇

輪值主編：蘇楊

編輯：王科超、高娜