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收到外太空神秘信號?!結果是馬桶沖水或微波爐開門聲……地球太“吵”


紅星深度成都商報社↑地球信號幹擾給天文學家們帶來困境“這就好比要在幹草堆中尋找一根針,然而這些幹草卻正是由這個信號塔提供的。”南非射電天文台...

- 2021年3月20日15時55分
- 科學文摘 /

紅星深度

成都商報社

↑地球信號幹擾給天文學家們帶來困境

“這就好比要在幹草堆中尋找一根針,然而這些幹草卻正是由這個信號塔提供的。”南非射電天文台首席技術師賈斯汀·喬納斯教授說道,“相比手機信號而言,我們想要探測的太空信號弱到難以想象。”

在射電天文的世界裏,要想屏蔽這些“噪音”變得越來越難。在20世紀裏,射電天文學家要想接觸到大部分射電頻譜相對容易,這些頻譜覆蓋了電波,並被劃分為不同的頻段。但現在,全球通信系統運行的頻譜越來越擁擠,衛星電視供應商和電話公司都在爭奪帶寬。

無數看似平常的舉動,都可能會幹擾到天文學家的工作。比如,前往射電望遠鏡參觀的遊客,其乘坐的汽車往往裝有Wi-Fi,身上的智能手表、手機,都會發出無線電信號。個人技術領域的發展,需要更多衛星與地球進行通信,這使得問題更加複雜。

如今,新一代小型衛星的增多也給天文學家們帶來了新的挑戰。這些衛星可以在數百英裏的高度繞地球飛行,被廣泛應用於地球觀測、通信、收集氣候變化數據和跟蹤導彈等領域。據估計,去年大概有1200顆此類衛星進入軌道,預計未來十年其數量將超過10000顆。咨詢公司Frost&Sullivan表示,相比之下,2015年至2018年期間只有大約400顆小型商業衛星被發射到太空中。

↑南非射電天文台首席技術師賈斯汀·喬納斯教授 圖據《華爾街日報》

“這就像是,當有人在你耳邊大吼大叫時,你想聽清楚別人在竊竊私語什麼。”美國弗吉尼亞州國家射電天文台主任托尼·比斯利說道。

頻繁被“

地球事件”搞糊塗:

小便池和微波爐都可以是幹擾源

由於某些宇宙的無線電信號只是單一脈沖,天文學家們擔心,周圍的幹擾會讓他們失去有關遠離地球事件的重要信息。“這是個貓捉老鼠的遊戲,”位於澳大利亞帕克斯的射電望遠鏡中心運營主管約翰·雷諾茲博士說道,“科技在日新月異地發展,新頻譜不斷被用於不同的設備上。”

有一次,帕克斯望遠鏡的一位天文學家,被一個幹擾到脈沖星觀測的無線電信號給搞糊塗了。所謂脈沖星,就是一顆在超新星爆炸中毀滅的大恒星的旋轉遺跡。那位天文學家注意到,信號是白天發出來的,到了晚上似乎就消失了。

↑使用MeerKAT望遠鏡拍攝到的銀河系中心區域射電圖像 圖據《華爾街日報》

“最後發現,那些幹擾信號原來和遊客訪問中心廁所的小便池有關。”雷諾茲說道,“這花了我們一天的時間才把信號源鎖定,原來是自動沖洗系統的電子設備出了故障,開啟後會產生火花。”

還有一次,帕克斯的天文學家因為望遠鏡捕捉到的一系列快速射電暴以及它們是否來自太空而產生分歧。起初只有一束,而後又接連捕捉到數束。原來,這些信號的源頭竟是一個微波爐,當門被打開時,它發出“砰”的聲音。

後來,有些天文學家選擇在晚上做更多試驗,因為晚上使用手機的人更少,附近公路上車輛也會少許多。據悉,帕克斯望遠鏡每年都會有大約10萬人造訪,其中絕大多數為遊客。

人類真正的挑戰:

別讓自己成為自己的敵人

由於地面上的無線電頻率幹擾大多是因為人們忘記關掉設備而造成,因此射電望遠鏡的工作人員花費了很多心思去避免這些幹擾。比如,在高度敏感的MeerKAT望遠鏡所在地——南非卡魯地區,所有汽車和人員在被允許進場之前都會被掃描身上的個人電子設備。監控太空信號是項日常工作,因此所有可穿戴裝備和手機都會被關機留在更衣室內。

↑南非MeerKAT望遠鏡 圖據《華爾街日報》

而在美國西弗吉尼亞州的綠岸射電望遠鏡(Green Bank),工作人員們偶爾會走進社區,使用探測儀檢查其相關技術的使用情況。該地是一個禁止使用無線電的區域,未經許可方圓13000平方英裏的區域內均不允許使用固定無線發射機。

當信號幹擾無法被克服時,科學家們往往就會將這些收集的數據標為“壞數據”且將其刪除。“數據會丟失,而且在某些無線電頻率下觀測太空是不可能了。”比斯利說道。

這一問題,在南非的哈特比索克天文台尤為明顯。該天文台曾是美國國家航空航天局的深空跟蹤站,如今由南非射電天文台管理。喬納斯教授說道,由於它太靠近發展迅速的約翰內斯堡,如今該天文台已無法再進行任何無線電低頻率的研究。

十多年來,當科學家們圍繞創建世界上最大的射電望遠鏡“平方公裏陣列”(SKA)展開討論時,一個關鍵的考慮因素,就是找到一個相對不受幹擾的位置。

科學家們最終選定了兩個地點:南非的卡魯地區和澳大利亞西部地區的默奇森郡。默奇森郡被稱之為“沒有城鎮的郡”,人口數量113人,覆蓋面積達1.93萬平方英裏,這大致相當於美國馬薩諸塞州和佛蒙特州的總和。

但要想達到靜默的無線電狀態依然很難。SKA望遠鏡將依靠電力運行、維護,錄入數據則需要超級計算機,但即便是在嚴密防護的建築物裏,超級計算機仍然會發射無線電信號。

“別讓自己成為自己最大的敵人,這才是真正的挑戰。”SKA的項目負責人安東尼(Antony Schinckel)說道。

小資料:電磁波環境要求極高 射電望遠鏡選址成大難題

靈敏度和分辨率是射電望遠鏡的兩大核心指標。由於星體距離地球十分遙遠,到達地球時能量微弱,靈敏度是科學家發現暗弱天體的能力,而要想進一步看清遙遠天體的真實面貌,就要依靠分辨率。

去年1月11日,被譽為“中國天眼”的500米口徑球面射電望遠鏡(FAST)通過國家驗收正式開放運行。由於射電望遠鏡易受外界電磁輻射幹擾,調頻電台、電視、手機以及其他無線電數據的傳輸都會對其觀測造成幹擾,因此對電磁波環境要求極高。

從1994年開始,中國科學家就在為FAST選址,並最終選擇貴州省平塘縣克度鎮金科村大窩氹窪地。這個天然窪地附近5公裏半徑之內沒有一個鄉鎮,25公裏半徑之內只有一個縣城,無線電環境“相當理想”。項目還設置了半徑5公裏的電磁波寧靜核心區。

而貴州省人民政府制定的《貴州省500米口徑球面射電望遠鏡電磁波寧靜區保護辦法》規定,以射電望遠鏡台址為圓心,半徑5公裏區域內,嚴禁設置、使用無線電台,嚴禁建設產生輻射電磁波的設施;在半徑5至30公裏區域內,經論證對射電望遠鏡正常運行構成幹擾的設施不得建設。同時,任何單位和個人不得占用國家為開展射電天文業務所劃分的頻率。

FAST工程總工程師兼首席科學家南仁東曾說,“人類的夢想之一,就是在電波環境徹底破壞之前,真正看一眼初始宇宙,弄清宇宙結構是如何形成和演化的。只有大射電望遠鏡才能幫助人類實現這一夢想。”(綜合新華社、貴州日報)

紅星新聞記者 王雅林

編輯 張尋

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