探索與揭秘 [中配]阿雷西博望遠鏡坍塌：原因與遺產

2020年12月 阿雷西伯望遠鏡 這個世界上最大和最具象徵性的 天文儀器之一 坍塌了 這座57年的巨大結構 不僅在其存在期間 取得了令人難以置信的科學發現 也是人類對宇宙中 我們未知的興趣和好奇心的象徵 它的失去讓全世界感到震撼 擁有該天文臺的國家科學基金會 最近向國會發布了關於故障原因 這個望遠鏡爲什麼如此重要 它是怎麼運作的 它爲什麼會失敗呢 不是規律 這是實用工程 在今天的節目中 我們將討論阿雷西伯望遠鏡的坍塌 我們用眼睛和光學望遠鏡 觀察天體發出的可見光 同樣可以利用電磁譜中其他部分 來進行天文學研究 大多數伽瑪射線 X射線 紫外線 和紅外線部分 都被大氣層阻擋 但長波長的無線電波則不是 射電望遠鏡基本上是一個天線 可以接收來自天體的 某些頻率的電磁輻射 這些無線電波可能相當微弱 使得將它們與背景噪聲區分開來 變得複雜 你基本上有兩種選擇 來獲取高質量的射電天文學數據 更多的時間或更多的空間 你對一個物體關注的時間越長 得到的分辨率就越高 但時間是有限的 爲了加快觀測 你還可以從更大的區域 收集無線電波 並將其聚焦成更清晰的信號 阿雷西伯將這種策略 發揮到了極致 擁有305米或1000英尺直徑的天線 是世界上最大的天線 直到2016年 中國的半公里FST望遠鏡 奪得了這一稱號 阿雷西伯天文臺 位於加勒比海的波多黎各島 設計和建造於1950年代和60年代 作爲國防部的一個項目 用於探測高層大氣中的核彈頭 國家科學基金會於1969年 接管了該設施 旨在用於更和平的事業 並在多年來 與幾位管理合作伙伴的幫助下 實施這一計劃 阿雷西伯的一個重要使命 是教育和推廣項目 以激發公衆對天文學 和大氣科學的興趣 如果你在波多黎各長大 你幾乎可以肯定參加過一到兩次 甚至更多次的學校實地考察 拜訪過這個令人驚歎的設施 這座天文臺最標誌性的部分 是那座巨大的射電望遠鏡 它不僅能夠接收最微弱的無線電信號 還能夠發射信號 從而使阿雷西伯望遠鏡 充當了一種天體雷達 它能夠發射無線電信號 並測量來自太空中附近物體的回聲 包括行星和小行星 阿雷西伯望遠鏡 促進了我們這個時代 一些最激動人心的天文發現 包括諾貝爾獎獲獎的雙脈衝心觀察 提供了引力波的首次證據 望遠鏡的疊形天線 建造在一個巨大的圓形塌陷坑內 雖然從遠處看它顯得很堅固 但反射器實際上是一系列 小心懸掛在鋼纜上的鋁板 由於望遠鏡的疊面固定在地球上 它只能指向正好在上方的天空的 某個部分 射電望遠鏡白天和晚上都可以使用 因此在一天或一年中 可以觀察到更多的天空 但如果望遠鏡無法調整方向 那仍然是相當無用的 阿雷西伯的設計者對這個問題 提出了一個相當聰明的解決方案 他們選擇了球形曲線 而不是使用拋物面形狀的疊面 將所有信號聚焦到一個點上 球形反射器並不能完美聚焦 所有進入的光線 這聽起來可能是個壞事 因爲你希望在整個天線盤上 儘可能多的收集和聚焦信號 球形反射器的美在於 通過改變你測量 在盤面上方反射波的位置 你可以從天空的不同部分 測量這些波 通過選擇在盤面上 接收無線電波的位置 你可以基本上操控望遠鏡 從而聚焦於各種天體 並隨着地球的自轉跟蹤它們 把那些波聚焦到盤子上方的狹小區域 並沒有太大意義 除非你在那裏有一個接收器 來收集和測量它們 阿雷西伯望遠鏡的設計 採用了一個 懸掛在疊面上方的三角形平臺 由鋼纜支撐 以支持用於收集無線電信號的各種儀器 爲了支撐平臺 三個加固混凝土塔 以4點、8點和12點的位置命名 支撐每組電纜 每個平臺角落最初有4根纜繩 直徑爲3英寸或8釐米 大電 額外的電纜稱爲拉纜 被連接到每個塔後面的毛布點 以平衡橫向力量類似於懸索橋 最初望遠鏡使用了細長的接收器 這些接收器可以在球形疊面的焦點線上收集信號 但它們只能在窄帶寬內測量信號 因此必須更換線饋 來改變望遠鏡的頻率 1997年的升級 增加了格里高利穹頂 使用兩個額外的反射器 來聚焦無線電波 這個穹頂使得望遠鏡操作員 能夠觀察到更廣泛的無線電頻率 但這個格里格里圓頂 不僅增強了功能 還增加了重量 很重 大約50%的原始平臺 這些額外的負載需要更多的支撐 因此從平臺到每個塔 增加了兩條輔助電纜 以及更多的支撐纜繩 來平衡負載 除此之外 這個穹頂對微小的運動更加敏感 你可以想象一個巨大的風捕捉穹頂 在空中被狹窄的鋼纜懸掛時的 剛性和堅固 對於一個敏感的儀器來說 這並不是理想的結構安排 爲了補償 增加了三根細繩 每個角落一根 進一步增大了力的作用 極光測距系統 可以與液壓千斤頂通信 謹慎地調整這些拉緊纜繩的張力 使平臺保持完美穩定 精度達到毫米級別 望遠鏡最後的幾年相當艱難 2017年的大西洋颶風季節 給波多黎各帶來了兩場強大的風暴 厄馬和瑪利亞 瑪利亞是襲擊該島的最強風暴之一 造成近三千人遇難 和接近一千億美元的損失 阿雷希伯也未能倖免於這場災難 他遭遇了斷線掉落在儀器平臺上 衝破了反射盤 造成了其他損壞 不過阿雷希伯望遠鏡面臨的後果 比颶風更嚴重的是 他的資金正在慢慢減少 國家科學基金會多年來一直試圖 將阿雷希伯的資金轉向更新的項目 2018年中佛羅里達大學主動接管了 該天文臺的管理和資金 但他們並不知道即將發生的事情 僅僅幾年後 在2020年8月 塔斯上交新的輔助電纜 在午夜十分意外地從其插座中脫落 當電纜斷裂時 它撞穿了反射網 撕裂了鋁面板 這些稱爲芯牽插座的插口 用於將電纜連接到塔上 是一種常見的金屬繩索和電纜 端接方式 但它們必須正確安裝 你需要清理電纜的末端 確保每根線絲彼此分開 仔細清洗 然後小心地將融化的芯倒入插座中 形成一個永久的靴子 隨着張力的增大而越來越緊 如果操作得當 終端應該比電纜本身更強 換句話說 電纜不應該從牽焊座中脫落 沒有合理的理由 但這並不是阿雷希伯望遠鏡電纜 在插座中滑動的第一次事件 天文臺的維護人員 多年來一直對這一問題感到擔憂 雖然我們當時還不知道 這次故障是望遠鏡終結的開始 失效的電纜造成的損害很嚴重 但被請來評估結構的工程師 認爲這是可以修復的 懸掛平臺的設計考慮了一定的冗餘 因此失去一根電纜 並不一定是災難性 管理者對設施的科學活動暫時停止 以便進行修復項目 但必須先進行設計 作爲第一步 工程師們開發了一個結構計算機模型 有一個關於鋼索支撐結構的好處 就是你只需要觀察 它就能估算出每根鋼索的張力 所有電纜在自身重力作用下都會下垂 形成一種稱爲懸鏈線的曲線 電纜的張力越大越緊繃 size越少 如果你知道電纜的重量 就可以利用鍊形方程和測得的下垂距離 來相當準確地估算電纜的受力 阿雷西伯使用激光進行了彎曲調查 這就是結構模型校準的方式 爲了確保模型能夠預測力量變化 如何影響結構 工程師們還進行了相當巧妙的驗證 由於他們在第一根電纜故障前後 都有儀器平臺的測量數據 他們可以在模型中移除那根電纜 並將預測的平臺行爲 與實際發生的情況進行比較 當第一根電纜斷裂時 平臺的那個角落下沉了兩英尺半 約合一米 而模型能夠在幾英寸內 準確預測這一情況 在這一切設計進行的同時 更多的麻煩就在眼前 11月 僅僅在第四塔第一次電纜斷裂後三個月 第二根電纜也出現了故障 這次是1960年代安裝的 其中一根原始電纜 它沒有從插座上拔掉 而是直接折斷的 而它的斷裂力量遠低於應能承受的範圍 確切地說 大約是額定強度的62% 掉落的電纜又一次損壞了望遠鏡的部分 但平臺依然保持着直立 然而對該結構的樂觀情緒迅速下降 問題從我們怎麼修復望遠鏡 變成了我們能修復望遠鏡嗎 3 並且存在不同的觀點 工程師們利用結構模型評估 可以減輕剩餘電纜張力的方案 以降低全面失效的可能性 它們可以割斷斷掉的電纜 因爲它們相當沉重 已經沒有任何用處了 它們可以移動Gregorian Dome 讓其他塔承受更多的重量 它們可以放鬆後置繩 使塔向內傾斜18英寸或半米 當然它們可以在塔4 添加一些臨時電纜來分擔部分重量 所有這些選項都顯示出 減輕了殘餘電纜所承受的力量 但問題在於如何安全地進行這項工作 此時它們已經有兩個故障 均遠低於電纜規定的斷裂強度 望遠鏡不僅失去了結構冗餘 工程師們也不信任剩餘電纜的強度 這一點是有充分理由的 由於另一根電纜可能故障的風險 工作人員無法進入現場 但幾乎所有減輕電纜負荷的選項 都需要人員在平臺和塔上 其中一家參與解決問題的工程公司 提出了一些挽救結構的最後努力 之後他們可以使用固定支架 遠程進行驗證測試 以檢查剩餘的電纜 是否至少有10%的額外強度 如果工程師能對剩餘電纜的強度 增加一些信心 工作人員就可能進入現場 並實施更多措施來拯救結構 然而沒人能對直升機作業 或對已經受損的電纜 進行檢測試驗的風險感到安心 當如此重要和標誌性的結構 仍然屹立時 說沒有修復的出路是件困難的事 這位工程師的這句話 道出了整個故事 這些方法中的任何一種 都不太可能在不讓工作人員 處於危險中的情況下 獲得足夠的減輕效果 雖然做出這個建議讓我們感到難過 但我們相信這個結構 應該在儘可能實際的情況下 以受控的方式儘快拆除 不過他們沒有機會 12月1日早晨 塔4的第三根電纜斷裂 引發了一連串 迅速導致結構坍塌的事件 令人驚訝的是 當事件發生時 觀測臺的一名工作人員 正好在塔頂操控無人機 拍下了這一精彩的畫面 這幾乎是瞬間發生 視頻開始時 兩個主要的電纜 已經明顯受到了損壞 所有的波落期 都是由於電纜的 三根繩索失效造成的 天文臺的工作人員 能聽到這些斷裂聲 知道即將發生的事情 這也是爲什麼 無人機會在那裏的原因 第三根電纜斷裂 剩餘的電纜被迫承受額外負荷 迅速跟着斷裂 無人機轉過身來 顯示出平臺墜落 撞上了疊面的側面 天文臺的控制室裏 還安裝了一個GoPro 記錄下了故障的過程 你可以看到 來自塔四的電纜斷裂 平臺向下擺動 支撐電纜穿過懸掛的人行道 而塔四的頂部 由於被拉力的不平衡而斷裂 所有三個塔都遭遇了故障 疊面的主要部分 被毀支撐的平臺和儀器 全部損失 包括遊客中心在內的幾棟建築 受到掉落碎片的損壞 幸運的是 儘管在坍塌時現場有人員 但工程師們設立了 遠離結構的安全區域 因此沒有人受傷 幾項法醫調查仍在進行中 以檢查這些失效纜線的原因 這些結果可能還需要幾年時間 因此我們尚不確定 爲什麼前兩根電纜 在本應有足夠強度承載的情況下 卻斷裂了 參與事件的工程師們建議 第一根斷裂的電纜 可能沒有正確製造 無論是現場 還是工廠安裝鉛合金插座 都需要許多細節來確保正確完成 確實有可能遺漏了某些環節 一旦那些插座安裝好 就很難進行檢查 至於第二根電纜 工程師們提出了一個 可能的故障模式 即鋼材的腐蝕 這些電纜定期噴漆 並且據報道有一個除溼系統 可以在電纜繩之間吹乾空氣 儘管這些系統 通常需要在每根電纜周圍 有一個密封的套管 儘管如此 阿雷希伯望遠鏡 在波多黎各北海岸附近 矗立了將近60年 暴露在鹹海空氣中 可能加速了竹纜的老化 另一個值得關注的要素 是原始設計中使用的安全係數 這是一個結構的需求 與其強度的比值 安全係數的核心意義在於 容納不確定性 我們預測結構的需求 將其與強度進行比較 我們意識到 可能會因爲多種 我們無法控制的原因 而產生額外的力 或強度不足 因此我們爲結構 留出一些餘量 阿雷希伯懸掛平臺的電纜設計 爲安全係數爲2 這意味着它們的強度 是預期平臺靜態載荷的兩倍 這似乎很多 但考慮到電梯的cables 使用的安全係數是11 許多橋樑的安全係數 在航空航天工程中 重量至關重要 因此它們會進行大量的建模和測試 以建立足夠的設計信心 使安全係數降到大約1.5 阿雷希伯是一個獨特的設施 世界上沒有任何其他結構 可以與之相比 它沒有經過嚴格的結構測試程序 而且是在可以使用計算機建模 準確描述所有可能遇到的 靜態和動態力之前設計的 我認爲值得考慮的是 這個結構是否應該設計得更寬裕一些 特別是在可能需要這種寬裕的情況下 電纜故障是一種劇烈的事件 失效電纜所承載的所有負荷 並不會均勻及溫和地 重新分配給其他電纜 隨着結構搖晃和振動 所產生的動態載荷 可能會顯著高於靜態載荷 發現當第一根和第二根電纜斷裂時 塔四上剩餘電纜的峯值應力 實際上超過了它們的額定強度 即使只有瞬間 這一點一點也不令人驚訝 儘管坍塌 阿雷西伯望遠鏡並沒有關閉 現場其他設施的科學研究仍在繼續 截至目前 工作人員仍在清理坍塌的殘骸 而國家科學基金會正在舉行研討會 討論該地點的未來 我希望最終能用一種 像阿雷西伯望遠鏡首次構思時那樣 未來感十足的儀器 來替代望遠鏡 這是一座雄心勃勃且鼓舞人心的建築 我們一定會懷念它 感謝觀看 請告訴我你的想法