射电天文和碳基生物不得不说的故事

作者：Astropond,张沛锦

鸽子与白色介电材料

鸽子这种生物不仅在东、西方文化中同时背上了关于“迟到”的黑锅，还在天文学史上蒙受了一段时间的不白之冤，当事鸽也因此遭到工程师们的驱逐，被赶出了自己的鸽巢。在被驱逐后，当事鸽曾试图返回现场与工程师们据理力争，惨遭击毙。

以上惨案发生在上个世纪六十年代，贝尔实验室的两名无线电工程师，阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊获准使用一台直径大约6m的射电望远镜进行实验，而实验的第一步就是调试天线。

阿诺和罗伯特 以及Holmdel喇叭形天线|图源 NASA

在调试过程中，他们发现不管将天线对准天空的哪个方向，都会收到一个稳定的噪声信号，这个信号的强度相当于一个3K的理想黑体所辐射出的能量。因为这个信号均匀地来自每个方向的天空，所以排除了“噪声是人造信号”的可能性，随后他们把目光投向了观测设备本身，怀疑是观测设备自带的噪声影响了观测结果，于是开始对观测设备进行检查。

他们发现在喇叭状天线里竟然有两只鸽子筑了巢，并且鸽子还在天线中产生了大量的“白色介电物质”（即鸽子粪），这让他们一度认为找到了噪声的来源。于是他们将鸽子寄到几十公里外的地方放飞，并清理了天线内的“白色介电物质”，重新调试天线。

但就在他们以为消除了干扰，胜利在望的时候，已经把这儿当成家的鸽子，跨越几十公里的路程又飞了回来，钻进了天线。于是两位工程师只好击毙了这两只鸽子。

后来的事情大家都知道了，干扰并不是来自于鸽子，而是大名鼎鼎的宇宙微波背景辐射。这两个和鸽子斗智斗勇的人得到了半个诺奖：

阿诺和罗伯特 | 图源 nobelprize-org

并非只有喇叭天线会有这样的遭遇，即使是现代的射电望远镜较常使用抛物面天线，也逃不过被鸟类筑巢的命运。特别是抛物面天线背面的桁架结构，不仅吸引了鸟类前来筑巢，更是吸引了成群的马蜂来建造了马蜂窝。（如下图）

ASKAP antenna | 图源 Ann Johns

射电望远镜在躲避人类干扰源的同时，不可避免地侵入了荒野之中，与野生动物们来了一次不得已的近距离接触。

痒痒挠与磨牙棒

如果说夏威夷的居民拒绝在莫纳克亚山建设三十米望远镜是因为害怕影响当地的生态环境，那么最环保最生态，最与当地动物和谐相处的射电望远镜就应该是LOFAR。

LOFAR全称Low Frequency Array，是目前最大的射电望远镜阵，工作频率低至在地球上可以观测到的最低频率。与单抛物面射电望远镜不同，LOFAR 是一个巨大的阵列，每一个天线都有独立的传感器，在观测过程中将产生海量的观测数据。LOFAR的天线有两种：一种是低频的LBA（Low Band Array），一种是高频的HBA（High Band Array）（如下图）。

 LBA

图源：张沛锦摄

HBA

图源：张沛锦摄

这也是为什么LOFAR使用线振子作为天线，而没有使用大家印象中常见的抛物面天线。因为低频率的电磁波的波长较长，需要用线振子作为天线，才能获得较好的增益。同时，巨大的阵列带来的超长的基线也能提高对低频天空的观测分辨率。

LOFAR super-terp |图源  astron.nl（上）

LOFAR super-terp的护城河 | 图源 张沛锦摄（下）

图中被“护城河”保护起来的区域被称为“Super-Terp”，而Terp本意是一种利用牛粪建筑而成的防御海水侵蚀的人造山丘，依靠这种特殊的建筑材料，它几乎坚不可摧。

而LOFAR继承了这一名字，制作了“Super-Terp”来放置天线，进行射电观测。甚至有人说，“Super-Terp”旁的这一圈护城河的作用，是用来保护天线不受附近牛羊的侵袭。

护城河能防御地缘碳基生物（如，牛羊等），还是无法防御空袭，Super-Terp中的LOFAR天线顶端也能看到“白色介电物质”。

LOFAR-LBA上的白色介电奥利给|图源：张沛锦摄

但是我们现在知道，这种白色介电奥利给是透波体，所以对低频射电观测并无任何影响，即使是带着奥利给的天线也可以得到优秀的观测效果：

LOFAR瞬时干涉成像得到的太阳射电暴的成像结果，奥利给并没有影响观测结果|图源 A&A 639, A115 (2020)

这些观测设备不仅没有破坏当地的生态环境，而且设备本身也反过来给动物们提供了优异的生活环境。比如当地的羊经常没事就去观测站，用天线的线振子磨牙、挠痒、玩游戏，画面十分温馨，体现着科技与生态的和谐共处，就是负责维修天线的工程师可能有点难受。

甚至在科学家撰写相关实验活动注意事项时，都会提出要对天线进行额外的保护，以应对野外牛羊对天线的攻击。

碳基飞行物的黑体辐射

“清晨，打开窗帘，小鸟站在窗台上歌唱”，可能是一个非常美好的画面。但“清晨，启动望远镜，小鸟站在天线上发热”就一定是一件让人的血压和接收机的噪声温度一起升高的事了。

我们知道，为了躲避人造电磁干扰的影响，射电望远镜一般会建设在四周开阔无遮挡的地方（如果没有这样的地方，那就用炸药把它炸成这样的地方），所以无处落脚的鸟儿们不约而同地选择了在抛物面天线的边沿上站成一圈。比较调皮的可能还会飞到馈源上排泄一番，或是用喙啄一啄馈源的防水膜，试探试探防水膜牢不牢固，在确保防水膜经过啄击之后已经不防水了，才悠然离去。

这些鸟类对射电望远镜真的能起到破坏作用吗？答案是肯定的。

一台采用抛物面天线的射电望远镜中，体积最大的组成部分就是它的天线和馈源，前者用于汇聚电磁波，后者用于感应电磁波。而任何物体都具有不断辐射、吸收、反射电磁波的性质，这些体温在40℃左右的鸟儿也不例外，它们无时无刻不在发出黑体辐射。

除了上文所说的“鸟类用爪子和喙破坏防水膜”外，单只凭借它们所发出的黑体辐射，以及庞大的数量，就能对高度灵敏的射电望远镜产生干扰。同时，它们的排泄物一旦覆盖在反射面或馈源上，也将对望远镜本体造成腐蚀从而影响性能。

在鸟类同时使用能量武器（发热）与动能武器（啄防水膜）与生化武器（向馈源排泄）对望远镜发起攻击时，忍无可忍的天文学家们有的选择了战斗，架起了驱鸟器，用现代化的“稻草人”与鸟儿们搏斗，妄图驱赶这些射电天文的敌人。有的天文学家们选择了默默忍受，启动天线后泡一杯咖啡等着鸟类们换地方，不再干扰天线之后再开始工作。

结尾

天文学家们一直是一个依赖高度发达的现代科技的人群，他们需要高速的采样设备，算力强大的计算机，超大带宽的网络。但同时他们又想要逃离人群，想与自己的观测设备一起“离群索居”，在最荒凉的沙漠设置光学望远镜，在最宁静的山坳里设置射电望远镜，在最高的高原上设置高能粒子探测器。这说起来甚至有了一丝诗人的矛盾，一方面想要逃离所有对观测造成干扰的人群，一方面又必须要亲近人群，以便利用现代化工业带来的水、电、网的便利。

这些对观测设备充满好奇的野生动物，似乎也具有同样的属性。它们的生活完全不需要人类的的存在，但实际上又无法避免人类对它们的生活的影响。它们看到人类突然来到他们居住的地方，建造了或巨大或密集的仪器。鸟类们很快发现这巨大的铁架子转起来虽然声势唬人，但踩上去也并不怎么危险。羊群也发现自己生活的草坪上多了些桩子，上面还系着铁丝，不仅没什么攻击性，蹭起痒痒来效果比树可好多了。

而天文学家们只能清理着天线上的污渍，重新系起被蹭断的振子，气恼地想着今晚一定要吃鸽子/羊/牛。