作者:段歆涔 来源:中国科学报 发布时间:2013-3-21 8:24:56
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三强联手共营最高射电望远镜
——诠释国际合作的妥协哲学

 
阿塔卡马大型毫米/亚毫米波射电望远镜
 
阵列天线凝望天空。
 
图片来源:ST?魪PHANE GUISARD/ESO
 
经过多年的延迟和经费超标,国际合作项目、全球海拔最高的射电望远镜最终尘埃落定。
 
■本报实习生 段歆涔
 
车辆沿着蜿蜒的道路艰难地向上跋涉,汽车发动机被不断调试以便与稀薄的空气相适应。道路两旁的仙人掌和草丛很快被极度干燥的无生命景象所代替。当汽车到达海拔4000米高时,Pierre Cox感到有一点头痛。当到达地球上最高、最干燥的地方之一,同时也是最适合天文学研究的智利查南托高原时,海拔5000米的高度使得他的膀胱感到不适。阿塔卡马大型毫米/亚毫米波射电望远镜阵列(ALMA)项目新任负责人Cox即将瞥见他将要掌管的庞大望远镜蝶形天线。
 
最高望远镜
 
Cox从车上滑了下来,并蹒跚地挪进ALMA由玻璃与钢铁构建而成的运营中心。现任负责人Thijs de Graauw今年71岁,是一位衣着整洁的丹麦人。初次到来的人在获许成行之前,必须接受强制性的医疗甄选。鼻子插着输气管,背上背着氧气瓶的定期轮换工人在建筑周围缓缓地走着。这一天,de Graauw向着与Cox一同来到ALMA的天文学家团队问道:“大家都还好吗?没有人牺牲吧?”
 
Cox戴上呈弧形的太阳镜,感到有一些轻微的晕眩。几十个巨大的白色无线电天线散落在周围平原的褐色火山土壤上,看起来如同复活节岛上的石像。在这样了无人烟的高原上,它们正在收集来自孤寂与寒冷的宇宙角落的光子,这些角落是由尘埃与气体构成的正在生长的昏暗云团,而这里恰好是恒星诞生的地方。由它们的信号组合成的图像具有比哈勃太空望远镜还要好的分辨率。
 
这时,蝶形天线开始协调一致地倾斜与旋转,静止的画面被打破。在目睹了如此众多的金属快速而安静地运动之后,Cox沉默了,感叹道:“我的天哪。”
 
但是天线阵的规格并不是统一的。阵中央的16台天线来自日本,其中12台直径为7米,4台直径为12米。外围的25台成扇形排列,每台直径12米,来自美国。欧洲的25台天线中的第一批夹杂分布在日本与美国的41台天线之间,每台直径为12米。这些顶级的碳纤维设备绕着平整光洁的传动装置转动。
 
属于欧洲的其他天线将于2013年底之前完成布置,届时拥有66台天线的ALMA将彻底完成。不过,项目组已在3月13日举办了正式的运营典礼,以庆祝国际合作的成功。ALMA项目共有19个国家参与,其中的三个主要合作伙伴分别是:欧洲南方天文台(ESO)、日本国家天文台和美国国家科学基金会(NSF)提供资助的国家射电天文台(NRAO)。
 
令人担忧的问题是:由于文化差异和规范各异,如何在“三权分立”的情况下使这个庞大的联合项目走向正轨。另外也没有人会为各成员间的不团结而庆祝,因为这导致了价值14亿美元的项目拖延了多年,并且资金超标,就连其最初的雄伟设想也都降格了。继任的项目负责人不仅要做好科学家的本职工作,还必须学会做一名出色的外交官和协调员。
 
但是ALMA并不是唯一的大型国际合作项目,在天文学领域,国际合作已经成为越来越普遍的现象。平方公里阵列是一项规划中包含3000台射电望远镜的项目,其占地面积可达1平方公里,该项目将布置在澳大利亚和南非。如此雄心勃勃的项目其成本以10亿美元计,这不是一国可以单独承受的,而ALMA为解决这一问题提供了榜样。美国联合大学公司(AUI)是一家位于华盛顿的射电天文学管理公司,该公司拥有NARO的运营权。其主席Ethan Schreier说:“没有人曾主管过像ALMA这般规模空前的科研项目。”
 
伙伴关系
 
三个主要合作伙伴各有各的心思,各自的试点项目可以追溯到上世纪80年代。欧洲对发出红外光的宇宙尘埃兴趣浓厚,这些尘埃笼罩着宇宙中最原始的星系。这些光可以被用来估算隐藏在尘埃内的恒星数量、大小,以及亮度。而这是天文学家试图拼凑星系演化历史的关键。由于宇宙的膨胀,这些波长变得更长的红外光以毫米波辐射的形式到达地球,使地基望远镜能够在大气中没有大量水蒸气的前提下可以随时探测到这些红外光。
 
为了探测到最古老的(因此也是最遥远最模糊的)尘埃星系,欧洲天文学家需要一片广大的收集区。他们规划了一座由直径16米天线组成的天线阵,打算将它布置在比查南托高原海拔低1000多米的阿塔卡马沙漠内的盐碱地上。而美国天文学家对银河系的形成更感兴趣,并打算通过一座由直径8米的更紧凑天线组成的天线阵获得更高品质的画面。他们同时也希望推动短波长中未被探测过的亚毫米波段的研究。他们极力推荐查南托高原,因为那里的海拔和干燥程度都满足亚毫米的观测条件,并且由于地势平坦,天线阵可以以各式各样的形式排列。
 
资源共享对两个项目的好处是显而易见的。为了达成一项折中的方案,ESO负责人Riccardo Giacconi与NRAO负责人Paul Vanden Bout于1997年签订了联合决议。决议规定,共建设64台天线,每台直径12米。Vanden Bout说:“我与Riccardo签署的协议没有获得任何官方的授权。”因此ESO与NSF再也不会提供另一个6年的资助了。
 
日本于2004年加入到项目中来,并承建了阵中心的16座天线。占地更广的美欧天线可以为视野狭隘的地区提供高分辨率的详细信息。但是,紧密的阵列却可以提供大型物体的完整视图,例如银河系的中心,以及银河系产生新恒星的不规则尘埃云等。
 
ALMA项目的拼凑性质被其组织结构展现得一览无遗。由于各个机构不愿意放弃预算的管理权,因此作为协调机构负责管理阵列运营的ALMA联合天文台(JAO)并没有实权。例如,当智利在查南托高原上创立一项科研项目时(作为回报,它拥有ALMA 10%的观测时间支配权),官方与AUI和ESO签订租约而不是JAO。
 
文化敏感性
 
ALMA的负责人很快意识到管理工作最好通过私下说服而不是明文公告的形式开展。de Graauw说:“你必须去引导他们。”文化敏感性也是必需的。在电话会议上,de Graauw说,除非他直接征求意见,不然日本同事会一直保持沉默。ALMA项目的科学家代表Alison Peck发现关于最后期限问题也存在着一个类似的现象。她说:“在日本,逾期而未完成工作是不被接受的,但在美国,你总是可以找到合理的借口要求延期,而欧洲人更不把最后期限当回事。”
 
另外,为了达到要求,本可以采用的最经济的建造办法便是ESO与NRAO共享同一种设计,共用同一家制造商。但是NRAO与一家美国小公司Vertex合作,该公司后来被弗吉尼亚州通用动力公司收购。而ESO则将项目交给了由法国巴黎泰雷兹阿莱尼亚空间公司领头的欧洲财团。项目的延期与分头建造的行为密不可分。同样,建造材料如钢材价格由于中国的需求而直线上涨,ALMA的成本也水涨船高。结果于2005年导致了项目的“缩水”,NRAO与ESO每家只能提供25台天线而不是规定的32台,导致阵列灵敏度的损失。尽管已经缩水,美国与欧洲对ALMA的投入仍然从6.5亿美元增加到10亿美元。
 
同时,日本将建设任务承包给了东京三菱公司。三家公司在ALMA操作支持设施(OSF)——绝大部分员工在该建筑群内生活与工作——内拥有独立的组装线。(OSF建在海拔2900米的高原上,部分原因是在海拔3000米以下的高度雇用智利工人,可以少支付一些资金。)
 
现在就说某一种设计比另一种设计好还言之过早。ESO的碳纤维天线在改变目标方位时几乎没有误差,但是还不清楚其内部先进的传动装置是否可以在极端的自然条件下保持性能。到目前为止,所有的天线都符合要求的性能。但是,来自美国得克萨斯大学奥斯汀分校的天文学家,同时也是ALMA董事会主席的Neal Evans认为,三种不同的设计在遥远的未来为ALMA带来了额外的运营成本。他说:“你必须准备不同的备用部件,并且要为每一种天线都雇用专门的人员加以维护。”
 
《中国科学报》 (2013-03-21 第3版 国际)
 
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