建在世界之巅的天文台,如何被“百般折磨”?
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建在世界之巅的天文台,如何被“百般折磨”?

【编者按】地球上有75亿人,只有不到5万人是专业的天文学家。天文研究听上去既浪漫又天真,如《超时空接触》中的朱迪 · 福斯特,一边戴着耳机,一边聆听外星人的信号;《天地大冲撞》中的伊利亚 · 伍德,通过一台强大到明显不现实的家用望远镜,观测到一颗足以摧毁地球的彗星。电影中的天文学家成为人们想象的对象,拥有主角光环的天文学家仿佛只要瞪大眼睛瞧个一两分钟,就能攥着几小段完美无缺的数据,飞奔去拯救世界。

同时, 观星是一种简单原始的人类活动。随着科技的发展,世上最好的望远镜为我们拍下了无数动人心魄的太空景象:群星璀璨的全天画卷、如风车般盘旋的旋涡星系、如彩虹般绚烂的气体云……但照片背后的故事却鲜为人知,比如它们从何而来,为什么要拍它们,怎么拍到的,从中又窥见了什么宇宙奥秘?

华盛顿大学天文学教授艾米丽·莱维斯克在《最后的观星人:天文探险家的不朽故事》中带领读者踏上天文朝圣之旅,探访遍布世界各地的天文台,从智利的安第斯山脉,到亚利桑那州的悬崖,再到夏威夷的大岛。那些站在世界之巅的大型望远镜背后,除了有摄人心魄的星辰和深邃黑暗外,还有人类凝望星空的有趣、热烈、辉煌的故事。

经出版社授权,本文摘录其中若干片段,一起追随科学家的脚步,前往地球上最偏远的角落,了解天文台不为人知的故事。

《最后的观星人:天文探险家的不朽故事》;[美] 艾米莉·莱维斯克(著),张玫瑰(译);北京联合出版公司;光尘;2022年7月1日

《最后的观星人:天文探险家的不朽故事》;[美] 艾米莉·莱维斯克(著),张玫瑰(译);北京联合出版公司;光尘;2022年7月1日天文台的存在提出了一个有趣的难题:它们是高科技云集的科学活动中心,拥有世上最大的设施、最先进的工程,但是只有在荒无人烟的地方,才能发挥最大的功用,这不可避免地将某些望远镜和靠它们工作的人置身于极端恶劣的自然环境中。莎拉·塔特尔是一名天文学家,她的研究内容包括望远镜仪器建造,她曾很好地概括道:“我们拿到这些高精度科学仪器,然后对它们‘百般折磨’。”

天文台站大多建在偏远开阔的山顶上,即使是风和日丽的时候,普通人也难以到达,如果加上极端的山地天气,就算是铁打的望远镜也吃不消。科罗拉多州的迈尔旺布尔天文台(Meyer-Womble Observatory) 位于落基山脉之中的埃文斯山上,海拔14148英尺(约4312米)。2011年冬天,风速高达每小时95英里的大风侵袭了这座天文台。从当年十月到次年五月,通往埃文斯山顶峰的道路全封闭了,这期间没人上过山,也没人知道山上的情况,直到天文台的一个网络摄像头被风吹歪了,丹佛大学的天文学家才意识到不对劲。那年冬天,当地一名登山运动员正好在埃文斯山训练,为攀登珠穆朗玛峰做准备,他拍到的照片以及后来的调查结果显示,大风将罩着望远镜的22英尺高的圆顶吹裂了(丹佛大学花了多年时间在讨论更换圆顶和处理承包商问题上,后来由于缺乏足够的支持,只能拆除圆顶室,移走望远镜,故事惨淡收尾)。

迈尔旺布尔天文台(Meyer-Womble Observatory)的圆顶在2011年被大风吹裂。

迈尔旺布尔天文台(Meyer-Womble Observatory)的圆顶在2011年被大风吹裂。即使是温和的风,有时也会成为隐患。阿帕奇天文台坐落在新墨西哥州南部平原的萨克拉门托山脉中,距离白沙国家公园仅20英里,那里尽是连绵不绝的白色沙丘。大风会将美丽的石膏白沙吹入圆顶,划伤精心研磨过的望远镜镜面。加那利群岛的望远镜也曾遇到类似的问题,即一种名叫“卡里玛”(Calima)的雾霾天气,那是从东边吹来的强风,会将撒哈拉沙漠的沙尘吹到距离摩洛哥海岸100英里的加那利群岛上空。

在崇山峻岭上,恶劣的冬季天气和强烈的暴风雪也十分凶险。当突如其来的暴风雪呼啸而至,天文学家如果不及时下山,就会被困在山顶上。如果有冰雪堆积在圆顶上方,圆顶便无法开启,甚至会构成隐患,因为一旦打开结冰的圆顶,碎裂的冰块可能掉进室内,砸中望远镜的镜面。阿帕奇天文台的操作员坎迪斯·格雷(Candace Gray)回忆道,他曾在暴风雪中旋转3.5米望远镜的圆顶,利用旋转产生的风慢慢吹落积雪。安·博斯加德的除雪方法更接地气,她告诉我她曾跟几个同事一起骑着全地形车,到莫纳克亚山顶上的88英寸(约2.2米)望远镜所在地,带着铁锹和冰镐爬上圆顶,清理上面的积雪。

阿帕奇天文台,位于美国新墨西哥州南部的萨克拉门托山顶的一个天文台。这个天文台由属于天文物理研究联盟(ARC)所有,并由新墨西哥州立大学(NMSU)管理。 维基百科 图

阿帕奇天文台,位于美国新墨西哥州南部的萨克拉门托山顶的一个天文台。这个天文台由属于天文物理研究联盟(ARC)所有,并由新墨西哥州立大学(NMSU)管理。 维基百科 图既然建在世界之巅,免不了要承受暴风雨的一大风险:雷击。在山峰上建高楼,基本上是在主动邀请雷电来劈它,我有好几位同事曾亲眼看到闪电击中天文台宿舍或其他辅助性建筑,就连著名的威尔逊山修道院也被闪电袭击过。伊丽莎白·格里芬回忆说,在一个风雨交加的夜晚,她正在修道院里吃晚饭,一道闪电突然从天而降,将附近的一棵杉树劈成两半,接着化作一道弧形的光,登堂入室,贯穿食堂,震碎所有窗玻璃。

一天晚上,基特峰上雷电交加,戴夫·席尔瓦(Dave Silva) 正在2.4米望远镜处进行观测,一道闪电“啪”地击中圆顶,光是这一下就把他吓得魂飞魄散(圆顶被闪电击中并不是什么新鲜事,但是每个亲身经历过的人都说,闪电击中圆顶时会发出震耳欲聋的巨响),更要命的是圆顶室还停电了。戴夫跑到圆顶室的电气柜前,用力拉开柜门,一团浓烟喷涌而出,瞬间将他吞没。被浓烟迷惑的他笃定地想着火了,便火急火燎地跑去搬救兵,几个坐在山顶附近喝咖啡的夜班工作人员一听说着火了,全都欣然起身前去救火,打发百无聊赖的夜晚。后来才发现,圆顶室并没有起火,只不过电气柜里18英寸长的电线全烧光了,只余几缕黑烟残留于世。

基特峰国家天文台(Kitt Peak National Observatory)位于美国亚利桑那州图森市西南90公里的基特峰峰顶,海拔为2096米,是美国国家光学天文台(NOAO)的一部分。 维基百科  图

基特峰国家天文台(Kitt Peak National Observatory)位于美国亚利桑那州图森市西南90公里的基特峰峰顶,海拔为2096米,是美国国家光学天文台(NOAO)的一部分。 维基百科 图1976年的一个傍晚,鲁迪·施尔德在亚利桑那州的霍普金斯山(Mount Hopkins) 上观测,一场暴风雨即将来袭,山上只余两人留守着。一个同事打来电话,问鲁迪能不能帮个忙,将一栋建筑与主电网断开连接,否则万一它被闪电击中,会导致整个电力系统过载。未雨绸缪总是好的,鲁迪当然乐意帮忙。一想到暴风雨还在3英里以外的地方,一时半会儿到不了,他便放心地往隔离开关柜走去。然而,那天晚上造访霍普金斯山的闪电没有击中任何建筑,也没有击中与主电网相连的任何电力设备,而是击中了他。

鲁迪的同事等了很久都没有收到他的回音,一种不祥的预感涌上心头,便给山上的另一人打电话。经过一番搜寻后,他在隔离开关柜里发现了一副遗落的眼镜和一个手电筒,而鲁迪则不省人事地躺在地板上,靴子掉到了三米外。

幸运的是,当时山上正好来了一个曾是美国空警的观测者,而且懂得急救知识。他摸了摸鲁迪的手腕,发现他的脉搏微弱且不规则地跳动着,赶紧拿来山上存放的氧气瓶给他输氧。林业局派了一架直升机过来,在狂风暴雨中逆行,突破重重浓雾,紧急降落在山顶上能找到的唯一一块开阔平地上,旋翼与山壁之间只有不到两米的间隙。鲁迪被送到附近的医院后,医生们处理了他腿脚部的烧伤,没过几天就放他回去工作了。他在自己的网站上记录了这次事迹,还调皮地写道:“天文台的工作人员在接下来的几天里一直密切关注我,但是没人发现我的智商有任何下滑,尽管我有时偷偷地装傻。”

风、雪和闪电都会对望远镜造成破坏,不过山火才是天文台最大的噩梦。许多望远镜架设在气候干燥的山区,那里几乎是山火的温床。天文台一般建在山顶或山顶附近,那里依然有不少树木和灌木丛,极易发生火灾。加利福尼亚州南部和亚利桑那州的山火曾经危及山上的许多天文台,包括帕洛玛山天文台(山上的天文学家曾挤在200英寸望远镜的圆顶室内,只要山火一逼近,就会坐直升机撤离),还有梵蒂冈先进技术望远镜(Vatican Advanced Technology Telescope, VATT)。

帕洛马山天文台(Palomar Observatory),位于美国加利福尼亚州的洛杉矶东南方145千米的圣地亚哥郡,位于帕洛马山脉海拔1706米的一个天文观测台。 维基百科 图

帕洛马山天文台(Palomar Observatory),位于美国加利福尼亚州的洛杉矶东南方145千米的圣地亚哥郡,位于帕洛马山脉海拔1706米的一个天文观测台。 维基百科 图山火给澳大利亚天文学带来的损失尤为惨重。斯特朗洛山天文台(Mount Stromlo Observatory, MSO)是一个多产的天文台,拥有不少历史悠久的望远镜,有些从19世纪就开始服务于天文事业,还有许多先进的现代设施,却在2003年的堪培拉山林大火中毁于一旦。在那场大火中,斯特朗洛山天文台痛失五架望远镜,还有工作室、行政楼、宿舍楼。后来,澳大利亚艺术家蒂姆·韦瑟雷尔(Tim Wetherell) 受托,用望远镜的残骸创作了雕塑作品《天文学家》(The Astronomer),现矗立在澳大利亚国家科技馆外。2013年,新南威尔士州沃伦本格国家公园遭遇山林大火侵袭,赛丁泉天文台(Siding Spring Observatory, SSO)的所有人员被迫撤离,十多架望远镜则滞留在山上。大火烧毁了山上的建筑,不过望远镜幸免于难,很快又重新投入使用。

澳大利亚艺术家蒂姆·韦瑟雷尔用望远镜的残骸创作了雕塑作品《天文学家》。    维基百科 图

澳大利亚艺术家蒂姆·韦瑟雷尔用望远镜的残骸创作了雕塑作品《天文学家》。 维基百科 图除了荒漠山地的暴风雨和烈火威胁之外,望远镜大多架设在地震频发的断层线上,比如加利福尼亚、夏威夷、智利等,它们都位于环太平洋地震带上,对那里的天文台而言,地震已经是家常便饭了。

每个去过智利的观测者都会经历一两次小地震。望远镜有一个小怪癖,那就是它对地震极其敏感:观测员需要精调细校,才能最终固定好望远镜的指向,之后要尽可能地保持静止,即使最轻微的震动,也会反映到望远镜的视野中,造成明显的图像抖动。曾有一次,我记得自己正坐在望远镜前,却突然听到操作员惊呼:“哦!地震要来了。”一两秒钟后,整座楼轻颤了几下,短暂却明显。接着,那颗用来引导望远镜的亮星,已经从他眼皮底下溜走了,消失在电脑屏幕上的监控窗口外。望远镜敏感得令人难以置信,只要一有风吹草动,目标天体就会跑出视野,这是它受到外界干扰的第一迹象。不过,望远镜的鲁棒性极强,足以抵抗这类干扰的影响。地面一停止颤动,那颗亮星就重新回到相机的视野中心,大家也若无其事地恢复观测。话说回来,在观测员需要爬进主焦笼进行观测的年代,有几位加州的天文学家回忆道,他们曾在观测过程中突遇地震,被困在主焦笼里好几个小时。乔治·沃勒斯坦告诉我,消防队是离加州最近的抗震救援人员,本着科学的原则,他们通常会先被派去抢救山上最大的望远镜。

在某些地方,火山也会跑来掺和一脚。莫纳克亚山上的望远镜偶尔会受到一种叫“vog”的浓雾侵袭,由“volcano”(火山)和“smog”(烟雾)两个单词组合而成。夏威夷火山国家公园内的火山裂缝有时会喷发出大量二氧化硫,与空气中的水蒸气结合生成弱酸性雾,导致望远镜对环境湿度的耐受性降低。2018年5月,夏威夷最活跃的基拉韦厄火山发生大规模喷发,正好被莫纳克亚山上的网络摄像头拍摄到。幸运的是,大风将这次火山喷发产生的火山灰吹离了莫纳克亚山,尽管火山烟雾多少会影响望远镜的湿度耐受性,但是基本上还是能按原计划进行观测活动。

莫纳克亚天文台,坐落在美国夏威夷群岛大岛上的莫纳克亚山顶峰上,是世界著名的天文学研究场所。图为“昴”望远镜、凯克I、II和NASA的红外线望远镜。 维基百科 图

莫纳克亚天文台,坐落在美国夏威夷群岛大岛上的莫纳克亚山顶峰上,是世界著名的天文学研究场所。图为“昴”望远镜、凯克I、II和NASA的红外线望远镜。 维基百科 图莫纳克亚山距离夏威夷火山国家公园不到30英里,你肯定会想当然地认为,那里的天文学家一定有着史上最惊心动魄的天文观测故事,毕竟他们隔壁就是火山口。事实上,如果真要评“最佳火山观测故事”,这个殊荣非道格·盖斯勒(Doug Geisler)莫属。

道格是华盛顿大学的研究生。1980年5月17日,他在华盛顿州中部的马那斯塔斯山脊天文台(Manastash Ridge Observatory) 度过了一个美妙的夜晚。那是他为博士论文采集数据的第一个夜晚,当时他独自一人留在山上,观测银河系中已存在亿万年的恒星。第二天破晓时,他结束了观测,像往常一样关闭望远镜,合上盖子,接着就返回附近的宿舍,好好睡一觉,晚上再来一次硕果累累的观测之夜。

马那斯塔斯山脊天文台(Manastash Ridge Observatory)位于华盛顿州中部。 维基百科 图

马那斯塔斯山脊天文台(Manastash Ridge Observatory)位于华盛顿州中部。 维基百科 图大约早晨八点半,远方传来一阵低沉的轰鸣声或隆隆声,将才睡着几个小时的道格吵醒。他看了看四周,发现毫无异样,便又睡了过去。在梦中,他梦见了世界末日。

几个小时后,他再次醒来,准备迎接天文学家一天当中的“早晨”—在正午时分悠闲地吃早餐,接着在晴空万里的山上度过一个安静的下午。但是,这次醒来的他立马注意到四周有些不对劲:房间里漆黑一片,没有一丝光线透过窗帘缝隙钻进屋里来。这让他很惊讶,不知是自己不小心一觉睡到了晚上,还是外面突然就乌云密布了。他低头看了一眼手表,指针指向的是正午,便决定起身去外面瞧瞧。

宿舍的门被推开了,露出外面的景象——无边的黑暗遮盖住本该艳阳高照的天空,空气中弥漫着刺鼻浓烈的硫黄气味,即使打着手电筒的光,也看不清3米以外的地方。和往常一样,这是一个温暖、寂静、无风的日子……唯独不见日光。道格脑中冒出的第一个念头是,不会是发生了核袭击之类的史诗级灾难吧?他猜对了一半。

那天早晨,马那斯塔斯山脊以西90英里的圣海伦斯火山(Mount St. Helens) 突然喷发,将超过15英里高的火山灰柱送入空中,成为美国历史上最具破坏性的火山喷发事件。道格早些时候听到的闷响,很可能来自威力相当于26兆吨TNT炸药的初始爆炸,或炽热的岩浆令附近的水体瞬间汽化产生的二次爆炸。火山爆发后的几小时里,盛行风将大部分火山灰吹向东边,遮蔽了道格所在天文台的上空。

那天,身为一个专业素养极高的观测者,道格雷打不动地填写夜间观测日志,记录望远镜当晚的使用情况,包括因天气或技术原因损失的观测时间,以及温度、云层、天空状况等细节。通常情况下,天文学家会时不时翻阅日志,帮助自己回忆某天夜晚的细节,天文台的工作人员也会时不时翻阅这些记录,追踪任何潜在的问题。那晚,道格在山上留下的日志成为一段传奇:

损失时间:6小时

原因:火山喷发(这理由是不是酷毙了?)

天空状况:又黑又臭

我是此次核战争的唯一幸存者。我还记得自己听到“轰—”的一声巨响,接着就赶紧跑去打开收音机,大多数电台居然还在播放音乐。我心想,都世界末日了,这些人怎么还在放靡靡之音?终于,我听到雅基马县的KATS摇滚乐电台说,圣海伦斯火山吹响了它的“号角”,这让我松了一大口气。到了中午2点左右,天文台上空依然漆黑一片。到了傍晚,能见度才达到0.5英里。我盖上了望远镜和其他光学仪器。一些细小的灰烬从天窗的缝隙钻了进来,我想它们应该构不成威胁。每次观测时,大家都巴不得天空全黑。今天倒是黑得彻底,却观测不了,造化弄人哪!

1980年5月18日,美国华盛顿州斯卡梅尼亚县境内的圣海伦火山发生重大爆发。这是美国历史上死伤人数最多、经济损失最大的火山爆发。    维基百科 图

1980年5月18日,美国华盛顿州斯卡梅尼亚县境内的圣海伦火山发生重大爆发。这是美国历史上死伤人数最多、经济损失最大的火山爆发。 维基百科 图火山和闪电是地球使用的一些较为极端的手段,提醒我们是在一颗极不稳定的活跃星球上工作。在观察天体的过程中,天文学家们很容易沉浸在宇宙科学之中,因而忘记了地球其实和我们观测的对象一样也在宇宙中不断地运动着,火山喷发和电闪雷鸣只是它的地质和天气中再普通不过的一部分,甚至忘记了它是我们与其他众多生灵共享的家园。

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