阿塔卡马大型毫米阵列-英雄

工程地点:阿塔卡马大型毫米阵列(ALMA)

图片来源:Dreamstime

为了庆祝IET@150,我们看看来自世界各地的工程壮举。在这里,我们探索了一个建在沙漠中央的天文台。

阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列(ALMA)位于智利查南托高原的中心地带。它是地球上有史以来最复杂的天文台,用于观测来自太空的毫米和亚毫米波长的光。
该设备可以研究介于射电和红外线之间的宇宙光——宇宙中大多数物体都发射这种能量,因此探测这种能量的能力几十年来一直是天文学家的动力。

ALMA使用一种名为“干涉仪”的系统,该系统将许多小天线排列在一个广阔的区域,并将它们连接在一起,以形成一个巨大的望远镜。它将54根直径为12米的抛物线天线和12根直径为7米的抛物线天线组合在一起,形成了一个由66根天线组成的巨大射电望远镜。

该天文设施是欧洲南方天文台(ESO)、美国国家科学基金会(NSF)和日本国家自然科学研究所与智利共和国合作的国际合作伙伴的心血结晶。
天文台始建于2004年。然而,在此之前的20年,全球科学界已经确定了对具有ALMA特征的射电望远镜的需求。

1983年,美国著名的射电天文学家开会讨论毫米波长望远镜阵列的优先级。到1990年,美国国家射电天文台提出了一个名为“毫米阵列”(mmma)的项目,考虑建造40个直径为8米的天线,达到30 - 350GHz的大气窗口以接收毫米波长。国家科学基金会在1994年批准了进一步的MMA计划。

与此同时,ESO计划了大型南方阵列,该方案考虑安装50个直径为16米的天线,工作频率低于350GHz,接收毫米波长。

然而,直到2001年4月,日本国家天文台才提出建造一个大型毫米/亚毫米阵列,该阵列考虑了与ESO相同数量的天线,但直径为10米,与其他阵列不同的是,它也计划接收亚毫米波长。

然而,人们很快意识到,这样雄心勃勃的项目不可能由一个社区来完成,因此三方联手。设计完成后,该团队必须为这种类型的射电天文项目确定一个地点。为什么球队选择了智利?

阿塔卡马大型毫米阵列-内联

图片来源:Dreamstime

在高海拔地区和干燥的气候条件下,低频波更容易被接收,因为这样可以减少噪音。此外,天线的表面积要足够大、足够平坦,以便于天线的分布。在新墨西哥州、夏威夷(莫纳克亚山)、法国(布尔高原)和北非的几个地区进行了勘探。然而,这些地点都不符合安第斯山脉和智利海岸山脉之间干旱高原的条件。

1995年,这三个伙伴在智利平原进行了试验,取得了积极的结果。1999年,欧洲和北美签署了一份谅解备忘录,两年后在东京签署了一项决议,支持欧洲、美国和日本之间建立ALMA的联合意图。到2003年底,经过一系列测试,第一块石头被放置在阿塔卡马沙漠的高处,成为地球上最雄心勃勃的射电天文台。

事实上,ALMA至今仍在使用,并帮助我们发现了宇宙中最壮观的景象。2019年,天文学家使用ALMA天文台在一个超大质量黑洞周围发现了反向旋转的气体盘,观测结果提供了一个前所未有的近距离视角,可以看到一个围绕黑洞旋转的冷星际气体旋转盘。

与此同时,在同一年,天文学家首次使用ALMA观测到了行星形成盘中气体的3D运动。在一颗名为HD 163296的年轻恒星周围的三个位置,可以看到气体像瀑布一样流入缝隙,这些缝隙被认为是由正在形成的行星造成的。

ALMA的总体科学目标包括观测恒星形成、分子云和早期宇宙的迹象——该设施已经产生了一系列独特的图像和数据来实现这一目标。它提供了原行星盘的图像,如金牛座HL,这改变了之前接受的关于行星形成的理论。

当HL Tauri图像于2014年发布时,这是有史以来在亚毫米波长下拍摄的最清晰的图像,只有ALMA的长基线能力才能实现。时任欧洲天文台总干事的蒂姆·德·泽乌(Tim de Zeeuw)当时表示,这样高分辨率的图像开启了“探索恒星和行星形成的新时代”。

ALMA还在遥远的原行星盘中探测到复杂的有机分子——碳基的、生物诞生前的结构,这是构建生命所必需的——这证实了我们的太阳系并不是唯一可能孕育生命的星系。来自ALMA的科学结果正在帮助系外行星研究人员确定可能支持宜居行星的系统的类型和位置。它还提供了关于地球附近星球的宝贵信息,包括土星的卫星土卫六。

根据ESO的说法,ALMA是“观测冷宇宙分子气体和尘埃最强大的望远镜”。它对恒星和行星系统诞生的详细图像让科学家们解决了“关于我们宇宙起源的一些最深刻的问题”。

时间轴:阿尔玛

1997年:国家射电天文台和欧洲南方天文台(ESO)同意一个共同项目,将合并美国的毫米阵列和欧洲的大型南方阵列。

1999年:欧洲和北美就该项目签署谅解备忘录。

2001年4月:欧洲、北美和日本签署了一项决议。

2004年9月14日:日本正式加入财团。

2009年11月17日:ALMA仅使用两根天线进行了首次测量。

2010年1月4日:三根天线同时工作。

2011年9月:早期科学观测开始于16根天线。

2011年10月3日:ALMA向天文学家开放——使用部分建造的天线阵列。

2013年3月13日:ALMA在官方仪式上落成,标志着该巨型望远镜所有主要系统的完成。

2014年6月13日:第66根ALMA天线被运送到阵列操作站点。直径12米的天线盘是欧洲第25个天线。

2015年3月:ALMA将其收集区域和灵敏度与APEX(阿塔卡马探路者实验望远镜)结合起来,通过被称为VLBI的过程创建了一个单一的仪器,其中来自两个望远镜的数据组合成一个虚拟望远镜,产生放大能力。

2015年7月:ALMA在使用专门用于探测宇宙中水的Band 5接收器获得第一个条纹后,成功在另一个频率范围上开放。

2015年11月4日:一个新的仪器被连接到海拔5000米的12米APEX望远镜上。用于APEX的瑞典eso Pi接收器可以探测到来自银河系、其他附近星系和早期宇宙中的水和其他分子的微弱信号。

2018年7月12日:为了保持天文台的先进能力,ALMA董事会指定了一个工作小组,优先考虑ALMA科学咨询委员会关于天文台发展的建议,直到2030年。

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