巨大的射电望远镜可能很快就会成为行星防御的有力工具

在《实力悬殊》中，我们仔细研究了国防工业的核心科学和技术——士兵和间谍的世界。

西弗吉尼亚州山区的一个高谷地坐落着世界上最大的射电望远镜之一：这座白色面板的庞然大物被称为绿岸望远镜，其天线比足球场还大，其最高点几乎与华盛顿纪念碑一样高。该望远镜通常收集来自黑洞、脉冲星、超新星遗迹和宇宙气体等宇宙现象的无线电波发射。在进行这项工作时，它被动接收这些发射。但现在它已经体验了一种新的、更主动的工具：雷达发射器。

在国防承包商雷神公司的帮助下，该望远镜已经能够自行发射无线电波，利用大天线引导它们，并让它们从太空中的物体上反射回来。反射的信号随后被更多的射电望远镜收集——这些天线遍布全球，是名为甚长基线阵列的仪器集合的一部分。这些雷达信号的数据可用于生成月球、行星、小行星和太空垃圾的详细图片，并了解更多有关它们的细节——这些目标都是科学界和国防界都感兴趣的。

雷达的起源

这次合作是史蒂文·威尔金森的错。“我是始作俑者，”雷神公司首席技术研究员威尔金森开玩笑地承认。早在 2019 年，威尔金森就致力于超精密时钟的研究，但需要找到新的资金来源。于是他参加了美国天文学会的会议，希望与美国国家射电天文台 (NRAO) 的某人讨论这些时钟——这是射电望远镜仪器不可或缺的技术。NRAO 是一套由联邦政府资助的望远镜，世界各地的天文学家都可以使用。

在这次会议上，威尔金森会见了美国国家射电天文台的主任托尼·比斯利，比斯利确实想要一个合作伙伴——但不是计时方面的。他想要一个雷达合作者。“这是我们公司的核心竞争力，”威尔金森说。“我简直不敢相信自己的耳朵。”

威尔金森总是热衷于新实验，他回到雷神公司，试图说服老板在巨型绿岸望远镜上安装雷达发射器。绿岸望远镜以前是国家射电天文台的一部分，现在是独立的设施，但经常是国家射电天文台项目的合作伙伴。（披露：2010 年至 2012 年，我在绿岸天文台（绿岸望远镜所在地）担任教育工作者。）

“对于雷达来说，你担心的是发送信号，然后接收信号，”NRAO 和格林班克天文台联合雷达部门负责人帕特里克·泰勒 (Patrick Taylor) 表示。“因此，在发送和接收过程中，你会损失很多能量。……从这个意义上讲，你需要非常大的望远镜。世界上最大的望远镜是射电望远镜。” 能够捕捉返回信号的望远镜阵列恰好属于 NRAO。

到 2020 年 10 月，雷神公司联合射电天文台团队已经建造了一个 700 瓦的原型发射器（功率大约与家用微波炉相当），并将其放置在望远镜的主要焦点上。

该系统投入使用后，联合团队进行了三项测试：涉及月球、小行星和太空垃圾的实验。“这是我们想要研究的三个主要领域，”泰勒说。“行星级天体，如月球；小天体，如小行星和彗星，用于行星科学和行星防御；太空垃圾，本质上是为了安全、保障和了解地球周围的情况。”

照亮所有这些物体（自然物体和合成物体）的系统都是相同的：雷达信号离开望远镜，从物体上反射回来，然后返回由其他望远镜收集。

月亮之上

月球测试的结果或许最为惊人，它展示了阿波罗 15 号着陆点和第谷陨石坑的详细图像，就像美国地质调查局的地球象限图一样。这些照片是从数十万英里外拍摄的，其细节程度堪比月球勘测轨道器上的高科技相机拍摄的照片，顾名思义，月球勘测轨道器正在绕月运行。

后来，该团队向一颗距离地球 130 万英里的小行星发射了无线电波。这颗岩石天体的宽度只有大约 0.6 英里——小到足以从远处拍摄出令人印象深刻的照片，但如果它与地球相撞，就太大了。找到这样的小行星、跟踪它们的轨道并了解它们的特性，可以帮助科学家了解全球灾难是否正在向地球袭来，并在发生灾难时制定缓解策略——这是双小行星重定向测试最近展示的能力。（该任务包括将一艘航天器与另一颗小行星一起撞击轨道上的一颗小行星，看看撞击是否会改变其轨迹。它成功了。）

泰勒说：“从发现小行星的意义上来说，雷达并不擅长寻找小行星，但在光学或红外天文台发现小行星后，雷达可以很好地对其进行跟踪、监测和描述。”

但重要的是，团队的双方——雷神公司、绿岸天文台和国家射电天文台——也对使用雷达系统检查太空垃圾感兴趣。这些物体位于地球静止轨道（距离地球约 22,000 英里）和月球轨道之间，距离很远。“随着越来越多的有效载荷进入月球，那里的垃圾也会越来越多，”泰勒说。“尤其是如果我们开始发射载人航天器（显然我们计划这样做），你就会希望能够追踪这些垃圾。”

威尔金森以阿尔特弥斯一号任务的最新火箭助推器为例，这是人类重返月球的前奏。“我们会尝试去寻找、拍摄并做一些很酷的事情，”他说。

了解碎片的性质不仅对科学家和可能进行远距离冒险的民用项目有意义，而且与国防也有关系：例如，太空部队正在密切关注这一问题，空军研究实验室 (AFRL) 甚至正在开展一项名为地月公路巡逻系统 (CHPS) 的项目，根据 AFRL 的一份声明，该项目将“搜索未知物体，如任务相关碎片、火箭体和其他以前未追踪的地月物体，并提供目前在月球或其他难以从地球上观察的地月区域附近运行的航天器的位置更新。”

当然，你不希望太空垃圾伤害宇航员或损坏或摧毁航天器。但军事和情报官员也试图通过 CHPS 等项目更多地了解每个人的航天器以及它们在做什么。如果强大的地面雷达能够监视碎片，那么从技术上讲，它也能够对活跃卫星进行同样的监视。

让我们

该团队希望，既然低功率原型已经完成了演示工作，那么更高功率的雷达系统将成为望远镜的永久固定装置。这项工作可以反馈到雷神公司的其他项目中。“我们可以冒一点风险来开发技术和我们在这里学到的东西，然后将其应用到我们的其他产品中，”威尔金森说。他说，该系统可以作为该公司未来在地球静止轨道和月球之间的太空跟踪工作的试验台——一项科学实验，可能会带来下一代“太空态势感知”技术。

在美国国家科学基金会的资助下，团队双方都在为更高功率的系统进行概念设计。国家射电天文台雷达部门的项目科学家弗洛拉·帕加内利 (Flora Paganelli) 表示，这是她第一次能够帮助制造正在建造中的地面望远镜。此前，她是卡西尼雷达科学团队的成员，在加入国家射电天文台之前，她还在 SETI 研究所工作过。

目前，对这种仪器进行这样的投入非常重要。对于像帕加内利这样的研究人员来说，这种仪器将比几年前更有效地促进科学研究。这是因为几年前，美国有两个“行星雷达”，即可以监视月球、行星和小行星的系统。

如今，只有一座——位于加利福尼亚州的戈德斯通——因为另一座位于波多黎各标志性的阿雷西博天文台的望远镜已无法使用。不幸的是，这架望远镜于 2020 年倒塌：悬挂在天线上方的平台撞上了它的面板。泰勒在那里工作了多年，之后在月球和行星研究所工作了一段时间，然后来到了国家射电天文台。“在绿岸望远镜上安装雷达是我们考虑了很多年的事情，本质上是为了补充其他现有系统，”他说。

由于目前还没有重建阿雷西博或类似设施的明确计划，因此绿岸雷达站是美国第二套此类雷达系统的最大希望。泰勒在谈到绿岸雷达站时说：“它从可以补充阿雷西博的一个系统变成了可以填补空白的一个系统。”帕加内利指出，科学界的雷达专业知识现在可以在那里汇聚。

威尔金森虽然来自企业国家安全领域，但他对天文学也有着与生俱来的兴趣，这让他对这个双重用途项目感到兴奋。同样令人兴奋的是天文学的开放性。“我们在这里做的很多事情，通常都是不能谈论的，”雷神公司的威尔金森说。另一方面，宇宙的秘密是为了被发现和分享，而不是保守。

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