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