人类首次向外星文明发送信息
波多黎各岛，南北美洲的交界处，美国的一块飞地，拥有着壮美的喀斯特溶岩地貌和热带植物群，有着加勒比海明珠的美誉。曾经世界最大的单口径射电望远镜——阿雷西博望远镜——就座落在苍翠的群山之中。
1974 年 11 月 16 日下午，阳光灿烂，万里无云。在阿雷西博望远镜周围的山坡上，星罗棋布地搭建了许多座帐篷。
时间快到了。人们三三两两地走出帐篷，面向 305 米口径的巨大球面天线，像是在等待着什么仪式的开始。终于，一种如同无线电发报一样的滴答声从扬声器里传出来，把现场的气氛推xi了高潮。
声音持续了差不多3分钟。在这三分钟里，面前的阿雷西博望远镜，用一台峰值功率高达1兆瓦[1]的发射机，把一段长度为1679位的二进制数，发往了太空深处，这些数据将以光速在宇宙中旅行，等待着被截获。人们听到的嘀嗒声，正是这段信息经过频率转换后发出的声音。
图：阿雷西博信息（左）与解析（右）
这段数字中，包含了构成生命的基本元素、DNA双螺旋、太阳系结构等关于人类文明的重要信息。信息的目标，则是 25000 光年外，包含 30 万颗恒星的 M13 星团。
这被认为是人类首次正式向外星文明发送无线电信息。在阿雷西博望远镜强大发射功率的加持下，这些信号将在几万年后抵达遥远的恒星团。
或许熟读《三体》的你，会不自觉地惊呼：人类怎么能干出这样的傻事，这不是自寻短见吗？
但是，请不要忘那是 1974 年。要理解美国人的这次现在看来有些疯狂的行动，我必须要从美苏太空竞赛开始讲起。
建造阿雷西博的起源
1957 年 10 月 4 日，苏联成功发射了世界上第一颗人造卫星。1958 年，美国国防高级研究计划局（ARPA）和美国航空航天局（NASA）相继成立[2]。从此，美苏太空竞赛的大幕正式拉开。
太空竞赛表面上看起来是把人送上太空，但背后的逻辑却是想拥有可进行全球打击的洲际导弹。苏联在航空航天上的每一次进步，都意味着洲际导弹对美国本土的威胁更大了。所以，光是在太空里展开竞争显然是不够的。当时的美国，急需能够防御洲际导弹的新技术。
NASA 的职责是发展航天技术，而隶属于国防部的 ARPA，自然就把精力全部集中在了防御弹道导弹的技术探索上。
在为数众多的导弹防御项目中，有一个专门对大气电离层进行雷达监测的项目备受关注。有多项研究表明，当洲际导弹从外层空间重新进入大气层的时候，会产生独特的雷达回波。如果能够造出一个足够灵敏的雷达，就有可能在导弹飞行的中段捕捉到导弹的行踪[3]。
但是，当时的科学家对高层大气的了解很少，要想更好地理解洲际导弹的雷达回波，就必须先对高层大气，也就是大气的电离层进行有效研究。两个项目，必须同时进行。
在这样的大背景下，康奈尔大学的博士威廉·戈登（William E. Gordon）看到了机会。作为一名拥有陆军航空部服役经历的电气工程师，戈登一直以来都对雷达充满了热情。他通过计算得出重要结论：只要建造一个直径1000 英尺（相当于305米）的巨型雷达天线，就可以满足对电离层的研究要求。
戈登将他对巨型雷达的设计构想写成论文，发表在《电气和电子工程师协会天线与传播汇刊》[4]中。
图：戈登这篇划时代的设计论文
随后，戈登所在的康奈尔大学，向国防部提出了建设巨型雷达的提议。这个想法与正在导弹防御上寻求突破的 ARPA 一拍即合。
按照戈登的计算，巨型雷达的直径必须达到 305 米。但是当时根本就没有建造这种雷达的工程先例。如果按照传统方式强行建造，巨额的建造费用，连资金充裕的 ARPA 也承担不起。
无数繁星闪烁的夜晚，戈登都在思考该如何缩减巨型雷达的建造成本。一天，康奈尔大学的土木工程教授麦圭尔提出了一个好建议[5]，他告诉戈登，在波多黎各岛的阿雷西博市郊区，有很多自然形成的漏斗形石灰岩大坑。
如果能够依山就势建立巨型雷达，就能省去支撑架产生的巨额成本。
图：戈登（左）与麦圭尔（右）
这真的是一个绝妙的主意，建造成本问题就这样解决了。
从抛物面到球面
在 ARPA 的建议下，望远镜的设计方案也从原先的抛物面设计改为了球面。一般来说，射电望远镜的接收面都是抛物线形状的，因为这样就可以把所有的落入接收面的信号反射到一个焦点上。但问题是，阿雷西博是固定在山谷中的，不能转动朝向，假如还是抛物面，就意味着阿雷西博永远只能盯着天空中很小的一块天区接收信号，只能进行电离层研究，无法进行射天天文学研究了。
图：1961年戈登与同事在设计阿雷西博
而球面反射镜的焦点不是一个点，是一条线，这样就相当于拓宽了望远镜的可观测区域。新的设计方案是在望远镜周边建造三座百米塔架，然后再用 18 根钢缆牵引一根柱状的接收器，悬吊在天线上方。柱状接收器负责采集球面镜反射回来的信号，接收器指向的方向，就是天线的实际朝向。这样一来，这台望远镜就同时具备了国防和天文研究的双重功能。整个建设耗时 2 年。
1963 年 11 月 1 日，建成的望远镜，以“阿雷西博电离层天文台”的名称正式对外开放。
图：阿雷西博建成时的新闻报道
戈登作为阿雷西博的主要设计者，成为了阿雷西博天文台的第一任负责人。
阿雷西博的重大发现
阿雷西博开始运行还不到半年，就取得了重大突破。
一直以来，人们认为水星早已被太阳强大的引力锁定，导致其自转和公转都是相同的 88 天。但是，在充分观察之后，阿雷西博天文台于 1964 年 4 月 7 日得出结论：水星的自转周期并不是88天，实际上短得多，是 58.646 天。水星并没有像月亮那样被潮汐力锁定。它每绕太阳公转 2 圈，自己就会自转 3 圈。随后，阿雷西博又将视线对准了金星，得到了金星自转周期为243.16天的精确数据。
阿雷西博望远镜之所以能够完成这种高精度的行星自转观测研究，正是得益于它具备的大功率雷达波定向发射和接收能力。自转，会让遥远行星接近和远离地球的两侧，返回雷达波的时间出现微小差异，就是这一点点微小差异，就可以计算出行星的精确自转周期。
随后，阿雷西博没有停歇，它将视线投向了 6500 光年外的蟹状星云[6]。早在 1054 年，中国古代的观星学家就在蟹状星云所在的位置，观察到白天看见明亮的星星的天象。科学家们由此推测，蟹状星云很可能就是当年超新星爆炸留下的遗迹。
那么，如何才能证明这个推测呢？爆炸后的超新会最终会坍缩成中子星吗？如果没有观测证据，这些推测就永远只是推测。
1968 年 11 月 10 日[7]，在阿雷西博天文台工作的物理学家洛夫莱斯（Richard V. E. Lovelace），通过分析阿雷西博望远镜的观测数据，在蟹状星云的中心位置，发现了一个以33毫秒周期规律变化的脉冲信号。经过论证，这些信号的来源，必然是一颗高速旋转着的中子星。
至此，蟹状星云是超新星爆发留下遗迹的猜想得到了证实。阿雷西博望远镜的这项成就，掀起了一股寻找脉冲星的潮流，人们很快发现，第一代恒星燃尽爆发的残骸，遍布在整个宇宙当中。
阿雷西博望远镜在天文学探索上接二连三的成就，让美国国防部意识到，这台为了防御洲际导弹而建立的超级雷达，似乎更适合做科学研究。
于是，美国国防部在 1969 年 10 月 1 日正式将阿雷西博移交给美国科学基金会管理，以便更方便地参与更多的天文学研究。
1971 年 9 月，美国科学基金会将“阿雷西博天文台”改名为“国家天文和电离层中心(NAIC)”。随后，NASA也参与进来，开始和科学基金会一起，为阿雷西博望远镜的运行提供资金支持。
丰硕的成果带来了充足的资金，这是阿雷西博望远镜的黄金岁月。
1973 年，负责管理阿雷西博的康奈尔大学，决定为已经是顶尖望远镜的阿雷西博进行了一次大升级。他们用 38778 块 1 米乘 2 米见方，可以单独调整替换的铝板，取代了原来由镀锌铁丝网组成的反射天线。这一改进，把阿雷西博的雷达发射频率，从原来的 500 兆赫，提高到 5000 兆赫。
图：1974年，康纳尔大学校长Dale Corson安装了最后一块铝片
在这台超级望远镜面前，科学家们的信心极度膨胀。所有人都殷切期待着这台全球口径最大、设备最先进、听觉最灵敏的射电望远镜，能开启射电天文学研究的新篇章。
康奈尔大学天文学教授唐纳德·坎贝尔（Donald Campbell）回忆说[8]：“当时的人们，需要一个极具象征意义的大事件，来证明我们的能力。”
升级后的阿雷西博如虎添翼
在众多升级庆典仪式的方案中，人们选择了向外星人发射无线电信息。没有什么行动，比向 25000 光年外的外星文明宣告地球文明的存在，更能够彰显我们的信心和能力了。
于是便如同本文开头的故事中所讲的那样：1974 年 11 月 16 日，一条星际无线电讯息[9]在庆典现场，被发往了遥远的武仙座球状星团 M13。
这条被史称为阿雷西博信息的讯号，让阿雷西博一举成名。它成为了地球文明连接地外文明的纽带，在无数的科幻迷、天文迷心中竖立起一座不朽的丰碑，也成了好莱坞青睐的外景地。
升级后的阿雷西博望远镜果然没有令天文学家们失望，新发现一个接一个地呈现在大众眼前。
1974 年，年仅 24 岁的物理学博士赫尔斯（Russell Alan Hulse）[10]与他的搭档泰勒（Joseph Hooton Taylor Jr.），在浩如烟海的脉冲星数据中，找到了一个双星系统。这是第一个被人类发现的脉冲星双星（PSR1913+16）。这一发现间接证实了广义相对论的预言。让他们共同获得了1993年的诺贝尔物理学奖。
图：赫尔斯1974年在阿雷西博控制室
升级后的阿雷西博望远镜有着更强大电磁波发射能力，这些电磁波穿透了浓密的金星大气，第一次揭开了金星的神秘面纱，把金星表面完整展现在人类面前。
1994 年，天文学家约翰·哈蒙（John Harmon）再次把阿雷西博的视线投向水星，他观测到了沉积在水星北极地区的厚厚冰层。精确的雷达回波，让哈蒙完成了水星北极冰层分布图的绘制。
同时，NASA 还赋予了阿雷西博望远镜守护地球的特殊使命。升级后的阿雷西博望远镜已经成为了一套行星级的雷达系统，可以实现对近地小行星的严密监控，对危险的小行星进行预警。此时的阿雷西博，俨然成为了人们心中的英雄，它的形象，开始频繁地出现在电影、电视等文化产品中，激发着无数人心中的太空梦。
最后的辉煌
成就越大，期望越高。1997 年，巅峰状态的阿雷西博再次升级。这一次，科学家用更加精密的格里高利反射器系统，替代方形柱状馈线，阿雷西博变得更加灵敏，射电频率又提升了 1 倍，达到了 10000 兆赫。
但是，这次升级，让原本就十分沉重的悬挂式馈源舱，重量也增加了将近一倍。900 吨的巨大设备，被 9 根钢缆悬挂在巨大的反射面上方。再加上经常袭击波多黎各岛的热带飓风，给阿雷西博的命运悄悄埋下了一重隐患。
1999年5月，著名的“SETI@home”计划开始了。“SETI@home”通过分布式计算技术，让每一位试图回答“我们在宇宙中是否孤独”这一古老问题的天文爱好者，都能亲自参与到寻找外星人的工作中来。
作为第一个向外星人发出无线电信息的望远镜，阿雷西博很自然地承担了搜集地外文明信号的主要工作。而这些信息的分析工作，则会交给分布在全世界的超过 29 万台计算机来进行。志愿者们可以使用家庭电脑下载一个软件，获取一段阿雷西博望远镜捕获的无线电波进行分析，尝试在海量的无线电波数据中，找到智慧生命存在的痕迹。
稍显遗憾的是，虽然阿雷西博能力强大，但比起宇宙中浩如烟海的无线电信号来说，阿雷西博望远镜能收集到的信息如同九牛一毛。SETI@home 这样的项目，象征意义比科学研究的意义更大。
阿雷西博望远镜越来越像一个太空文化大使。它新建的游客中心，每年可以接待超过 10 万名游客。人们在这个宏伟的超级工程面前，感受着科学和太空带来的震撼。
图：游客与阿雷西博合影
巨星陨落
进入 21 世纪以后，大量的研究工作开始向可扩展的大型射电望远镜阵列倾斜。即便是“天下第一”的桂冠，也将被一个 500 米口径、名叫FAST的新秀轻松摘走。
阿雷西博望远镜在科研方面，不再具有不可替代的作用。NASA 和美国科学基金会为了推动更多新科技的探索，不得不削减阿雷西博的资金支持。缺金少银的阿雷西博，只能节衣缩食，艰难维持。
2006 年，美国科学基金会宣布：如果找不到其他资助，阿雷西博天文台可能会被关闭。这一报告激起了一片哗然，无数学者、官员和媒体都表示：“阿雷西博曾经代表全人类向宇宙发出声音，阿雷西博不能倒下。”大量的天文爱好者联名请愿，为阿雷西博争取资金。就这样，阿雷西博又续命了几年。
2011 年，美国科学基金会不堪重负，只能剥夺康奈尔大学对阿雷西博天文台的管理权。取而代之的是波多黎各城市大学和斯坦福研究院组成的联合团队。这个团队的唯一优势，就是管理费更低，价格更便宜。
资金危机让阿雷西博望远镜长期带病运行。2017 年 9 月 21 日，飓风玛丽亚的袭击，导致望远镜反射面上的 30 多块铝板受损。没有维修资金的阿雷西博，就像是一位暮年的英雄，只能拖着病体，坚强地维持运行。
2020 年 8 月 10 日，又一次飓风来袭。这一次，悬挂着 900 吨馈源舱的一条钢缆从索节中连根拔出。钢缆像一根巨大的鞭子，从 150 米高的高空抽下来，在球面天线上撕开了一条 30 多米长的裂痕。
突发的状况让管理者不得不重新对阿雷西博望远镜的修复难度进行评估。工程团队仔细测定了剩余钢缆的应力分布，并且评估了维修的风险[11]。
评估的结论令人难过。工程师们的结论是：剩余电缆的承重能力比预计的更弱，除了设法安全拆解以外，没有什么办法能在确保安全的前提下修复阿雷西博。
2020 年 11 月 20 日，美国国家科学基金会推文官宣，放弃修复阿雷西博，并对有风险的设备进行安全拆除。
然而，意外还是发生了。2020 年 12 月 1 日，工程团队仍在制定拆除计划，剩余的钢缆不堪重负，在 7 点 53 分突然崩断，900 吨重的馈源舱犹如归根的成熟果实，从 150 米的高度跌落到与它对视了 57 年的巨大镜面上。这位立下过赫赫战功的老英雄，就像一名刚烈的战士，选择了一种极其壮烈的方式突然结束了自己的生命，在生命的最后一刻依然保持着年迈但坚挺的战斗姿势。
虽然阿雷西博射电望远镜已经结束了生命，但它所积累的海量数据，仍然是后人无比珍贵财富。心有不舍，但不必遗憾。就在阿雷西博离开之前，500 米口径的中国天眼射电望远镜，已经顺利接替了阿雷西博的工作。地球文明，依旧睁大着眼睛，眺望着星辰大海。或许，在未来，阿雷西博能在这块风水宝地上涅槃重生，我满怀希望期待着。
信源
- https://web.archive.org/web/20080918073507/http://www.naic.edu/general_int/posts/RadarFacts%20-%20English.htm
- https://en.wikipedia.org/wiki/DARPA#Early_history_(1958%E2%80%931969)
- http://www.alternatewars.com/WW3/WW3_Documents/DARPA/DARPA_II_PRESS.htm
- https://ieeexplore.ieee.org/document/1144946
- https://hgss.copernicus.org/articles/4/19/2013/hgss-4-19-2013.pdf
- https://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%9F%B9%E7%8B%80%E6%98%9F%E9%9B%B2#%E8%B7%9D%E7%A6%BB%E5%92%8C%E5%A4%A7%E5%B0%8F
- https://en.wikipedia.org/wiki/Crab_Pulsar
- https://web.archive.org/web/20080802005337/http://www.news.cornell.edu/releases/Nov99/Arecibo.message.ws.html
- https://en.wikipedia.org/wiki/Arecibo_message#DNA_elements
- https://en.wikipedia.org/wiki/Russell_Alan_Hulse
- https://www.nsf.gov/news/news_summ.jsp?cntn_id=301674
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