尘归尘：地球上最先进的天文台如何揭开我们的起源

圣佩德罗德阿塔卡马 参观阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列 (ALMA) 并非易事。我驱车穿过荒芜的高原，与我的导游达尼洛·维达尔（ALMA 的参观协调员）会面后，第一站就是健康检查。为了在 ALMA 工作人员居住和工作以解决宇宙奥秘的运营支持设施中闲逛几个小时，我必须证明我的心跳不太快也不太慢，并且血液中氧气饱和度至少达到 80%（在最近的一次海平面体检中，我的得分为 96%）。

但极端环境并没有阻止近 20 个国家携手打造地球上最雄心勃勃的天文​​仪器。要让 66 根最先进的天线在几乎与珠穆朗玛峰大本营一样高的设施上同步运行，需要数百名工程师和其他工作人员以军事精度操作。经过数十年的建设和六年的升级，该机构现已全面投入使用，它终于将大部分力量投入到其主要目标之一：观察围绕年轻恒星旋转的尘埃热光。ALMA 的观测已经改写了这些系统如何从沙云变成行星家族的故事，这也是地球如何成为太阳系第三颗岩石的故事。

我的血氧饱和度达到 91%，因此我获准继续前行，不过维达尔还是递给我一个一次性氧气罐以防万一。然后我们钻进他的 SUV 车里，他接上自己的鼻管，连接两个重型氧气罐。“有规定，”他说，然后我们开始开车前往查南托高原的顶部，仙人掌和小羊驼以规定的每小时 20 英里的速度从旁边经过。

我们的眼睛会偏向于我们能看到的彩虹色，但宇宙中还弥漫着许多其他类型的光。恒星在可见光谱之外燃烧，黑洞发射 X 射线和无线电波，恒星爆炸发射出多种射线。只有通过观察所有这些不同的“颜色”，我们才能全面了解宇宙。

ALMA 可以观测长度约为一毫米的光波，堪称世界上最强大的夜视镜。物体会根据其温度发出不同类型的光，而天文台的天线可以让其识别出温度不够高而无法像星星一样发光的物体。在它眼中，冷尘埃在寒冷的太空背景下发出明亮的光芒，就像温暖的物体在红外摄像机眼中发出的光芒一样。事实上，ALMA 完全看不到可见光，因此它可以昼夜观察天空。

尘埃的故事其实就是我们能看到的一切的故事，这就是为什么北美、亚洲和欧洲的天文学界与智利政府联合起来，花费 15 亿美元在世界上最干燥的山顶上建造了一座天文台。太空中的氢云坍缩成恒星，旋转着剩余的尘埃盘，最终旋转成构成太阳系的行星、小行星和彗星。我们可以近距离研究我们自己的宇宙邻居，但研究人员渴望找到更多不同、更年轻的例子，以便从巧合中找出规律。

计算机模型在实现这一目标方面取得了很大进展，但没有什么可以替代捕捉行星诞生过程的图像。以前的毫米仪器缺乏必要的能力，但在这方面，ALMA 改变了游戏规则。“很少有人能有如此大的飞跃，”哈佛-史密森天体物理中心的研究员肖恩·安德鲁斯说。“这就像从小型手持望远镜到哈勃太空望远镜的转变。”

在高原顶部，我立刻就能看到 ALMA 是如何拍摄这些精彩照片的。即使没有一片草叶来帮助你的大脑校准尺寸，庞大的阵列操作站看起来也很庞大。但在我近距离看到天线之前，是时候进行另一次健康检查了。我们进入了维达尔所说的现在被认为是世界上最高的技术建筑，因为尼泊尔的一个火车站去年停止运营，我勉强获得了继续参观的许可，但血氧饱和度只剩下 3%。

ALMA 是干涉仪而非望远镜，其操作由 66 个大型天线完成，这些天线覆盖的面积超过任何单个仪器所能覆盖的面积——超过一英里。无论如何，我参观时就是这个尺寸——每个重达 100 吨的天线都是便携式的。两辆巨大的叉车，绰号为 Otto 和 Lore，每天拖着几根天线不停地移动，几个月后，阵列的面积扩大到前所未有的十英里。通过扩展和收缩，天文学家可以优先考虑细节或范围，这相当于智能手机的捏合缩放功能的宇宙学版本。他们只需确保天线一直插着电（叉车有一个电池系统来供电）。如果电源故障，内部机器的温度远远超过其工作温度——零下 450 华氏度，司机将不得不拿着一块价值数百万美元的砖头。

幸运的是，这种情况还没有发生。最终，该阵列以最大功率拍摄的图像比 2011 年首次亮相时清晰十倍，这种分辨率使天文学家能够更好地掌握行星形成的细节。

哈佛大学天体化学小组负责人、ALMA 董事会五名北美代表之一卡琳·奥伯格 (Karin Öberg) 表示，尘埃颗粒从“蓬松的沙子”到真正星球的旅程的第一步，不仅取决于它如何与邻居交流，还取决于它如何与整个行星盘交流。实验室研究表明，行星种子首先会变得粘稠，通过与氢和氧的碰撞获得一层冰层。从数百光年之外挑选出特定元素非常困难，但 ALMA 已经发现了外星糖和酒精。

尽管我们脚下有经验证据，但多年来，从理论上讲，长得比冰尘团块还大似乎是不可能的。模型预测，除非粒子以某种方式聚集在特殊的、更密集的区域，否则圆盘内部的旋转力应该会将尘埃团块撕裂，否则它们不会膨胀到米粒大小以上。

2013 年，由加拿大维多利亚 NRC 赫茨伯格天体物理研究所的天体物理学家 Nienke van der Marel 领导的团队在荷兰莱顿大学拍摄了第一张这种“尘埃陷阱”的直接图像，证实了数十年的建模。“模拟圆盘中过程的人几乎独立于观察者工作，”她回忆道。“理论已经偏离了观察，而 ALMA 确实将它们重新整合在一起。”

现在，天文台的新数据让模拟器开始反击。当 ALMA 的望远镜对准距离地球 450 光年、被尘埃云团环绕的年轻恒星 HL Tau 时，它应该看到的是光滑的圆盘。人们认为行星需要数百万年才能聚结，而这个系统的历史仅为其十分之一。然而，2014 年传回的图像显示，一个炽热的红色圆盘被六个清晰的凹槽分开——这可能是幼年行星在绕行时吸入尘埃的迹象。现在，肖恩·安德鲁斯 (Sean Andrews) 领导的一项即将发表的对 20 个此类圆盘的调查证实，HL Tau 更像是常态而非例外。无论行星是如何形成的，ALMA 的夜视功能都揭示，它们无处不在——而且速度很快。

回到半山腰的运营支持设施时，维达尔和我遇到了两名意大利电影制片人，他们因未能通过健康检查而在走廊里徘徊。他们要等待两个小时才能通过第二次也是最后一次检查。维达尔猜测，他们忽视了早餐时抵制咖啡诱惑的指示。

现在可以放心喝咖啡了，我们坐下来和马蒂亚斯·拉迪什一起喝茶，他是圣地亚哥的一位大胡子数据分析师，也是这类行动的无名英雄。拉迪什与该设施的主要敌人——湿度作斗争。即使在一个自艾萨克·牛顿时代以来就没有下过雨的沙漠里，空气中也总是弥漫着水蒸气的痕迹。拉迪什会实时调整天线以适应湿度。他还轮流担任值班天文学家，决定从队列中的数百个观测点中运行哪些观测点。

由于高海拔和经常夜间工作，ALMA 工程师不得不习惯昏昏沉沉的生活，但参与地球起源故事的探索让他远离家人一周的轮班和不眠之夜都变得值得。“激励人心的是身处事情发生的地方，”Radiszcz 说。“地球就像宇宙中的一片绿洲，你可以理解人类的价值和生命的脆弱。”

当维达尔送我回圣佩德罗镇（阿塔卡马沙漠的当地绿洲）时，太阳刚刚开始落到地平线以下，地球自转使智利远离了它的光芒。我跳上租来的车，慢慢地开下山坡，身后扬起一团薄薄的尘土。

本文的报道部分由美国国家科学基金会资助。