2020年2月，一冊神秘的「彩超」影集點燃了眾多天文學家的熱情。她，娓娓道出，獵戶座分子雲中，新生代恆星如何在自己的胚胎期就已為行星的「呱呱墜地」悉心準備。而圖片中藍色影像上所標註的四個字母「ALMA」，讓不少人覺得似曾相識。YES！黑洞照片！2019年4月，人類歷史上第一張黑洞照片橫空出世時，仿佛也是它，在「甜甜圈」所帶來的視覺衝擊中，若隱若現，猶抱琵琶半遮面~
那麼，ALMA到底是什麼？特別之處在哪裡？它能做些什麼？今天，就讓我們帶著這些問題，與大家一起，揭開這位幕後英雄的神秘面紗，一睹其廬山真面目……
神秘「彩超」，ALMA科學成果圖 | 圖源：ALMA
ALMA是什麼？「牛」到沒朋友的望遠鏡陣列……
ALMA，發音「阿爾瑪」，全名「阿塔卡瑪大型毫米波/亞毫米波陣列」（Atacama Large Millimeter/submillimeter Array），位於智利北部阿塔卡瑪沙漠裡的查南托（Chajnantor）高原上。那裡海拔5000米，空氣乾燥 ，人煙稀少，是全世界公認的天文觀測絕佳之地，擁有內陸最優的毫米波/亞毫米波地面觀測條件。ALMA是四大洲聯手的傑作：由歐洲、北美和東亞合作建造，安放於南美洲的智利。它於2003年破土動工，2013年3月正式投入使用，可謂「十年磨一劍」。
ALMA科普漫畫 | 圖源：紫金山天文台
ALMA是目前全球最大規模的射電天文觀測設備，是一個由66架拋物面天線組成的干涉陣，包括54架12米口徑的天線和12架7米口徑的天線。它的威力主要來自它的好「眼神兒」：高空間解析度和大集光面積。ALMA巧妙地以陣列形式，讓66架天線聯合作戰（干涉），天線彼此間距最長達16千米，實現了相當於一台口徑16千米單天線的空間解析度，在最短工作波長的空間解析度比哈勃望遠鏡都高出約10倍。66架天線同時收集信號，成就了集光面積最大的毫米波/亞毫米波望遠鏡，可以看到更暗弱的信號。
ALMA，看別「鏡」所不能看，名副其實地成為茫茫黑夜裡，毫米波/亞毫米波天文學家看深空最明亮的眼睛。
ALMA組成示意圖 | 圖源：紫金山天文台
ALMA的特別之處在哪裡？毫米波/亞毫米波……
顧名思義，ALMA的工作波段「毫米波/亞毫米波」是其特別之處。這個波段位於電磁波譜中射電的最短波段，是技術最難、對台址條件要求最高的天文觀測波段。那麼，為什麼天文學家要在不同波段進行探索和研究呢？主要原因在於，宇宙中天體或物質產生的輻射各有不同。某些會落在特定波長區間，只有工作於該波長範圍的望遠鏡才能對其探測；而有些雖然能在多個波段探測到，但其所呈現的影像大相逕庭，多波段共同研究可以更詳盡地對其進行了解。
同一星系在不同波段下的呈現 | 圖源：Chandra
大家耳熟能詳的「中國天眼（FAST）」和「哈勃空間望遠鏡」，與ALMA的區別之一便在於波段不同。FAST與ALMA同屬射電波段，但FAST的波長更長；哈勃空間望遠鏡，則工作於可見光和紫外波段。ALMA所在的毫米波/亞毫米波段，其最大特點在於，可以穿透宇宙塵埃，使天文學家更好地理解被塵埃所遮擋的、宇宙形成更早期的狀態。
電磁頻譜圖 | 圖源：紫金山天文台
ALMA當前的工作波段覆蓋0.32-3.6mm，對應頻率區間約80-950GHz（G：109）。除尚在研製階段的第一和第二波段採用半導體接收技術外，目前工作的八個波段均採用高靈敏度超導接收技術，即：超導隧道結（SIS：Superconductor-Insulator-Superconductor）混頻。其中，第三和第六波段由北美承擔研製；第四、第八和第十波段由日本承擔研製；第五、第七和第九波段由歐洲承擔研製。
ALMA工作波段分布和承研概況 | 圖源：紫金山天文台
去年轟動一時的黑洞照片，讓許多小夥伴知道了事件視界望遠鏡（EHT），EHT中毫無爭議的頭號功臣便是ALMA。而當初有幸給黑洞拍照的，就是ALMA的第六工作波段（1.3mm/230GHz）。
在ALMA早期建設階段，紫金山天文台的團隊參與了第八和第十波段超導SIS接收機的研發，向ALMA工程貢獻了核心技術。黑洞照片拍攝的下一步計劃，極可能落在第八波段（850μm/350GHz）。讓我們一起期待黑洞那更為清晰的照片吧~~
ALMA能做什麼？井噴！井噴！前方高能……
ALMA，作為一個有靈魂的望遠鏡陣列，擁有著無與倫比的觀測能力和觀測效率。而它，從披上戰衣那一刻起，也確實沒讓全世界天文學家失望。回首過往，ALMA以其出色的科學表現，圈粉無數。尤其近3年，每年以近200篇的科學論文呈井噴之勢。當我們點開ALMA網站上「discoveries」的頁面時，一大波令人震撼的科學成果與新發現，伴隨著一張張炫美的圖片，撲面而來。
那麼，ALMA到底可以看什麼……
從宇宙最遙遠的存在，到我們的太陽系，ALMA縱覽無餘。
◎ 恆星和行星的行成：恆星和行星都誕生於冷氣體塵埃的暗雲中，一般望遠鏡無法穿透塵埃，只能看到暗暗的區域。而在毫米波/亞毫米波波段，塵埃變的「透明」，ALMA可以清晰地看到其內部狀態，目睹新生代恆星的誕生。
◎ 黑洞、星系起源與演化：ALMA作為一個可以「回到過去」的望遠鏡，可以「回看」到宇宙的邊緣，從而給我們講述宇宙起源、超大質量黑洞和星系形成最原初的故事。同時，還能探測到恆星生命走到盡頭時，超新星爆發所產生的塵埃，讓我們更好地了解恆星的整個生命過程。
◎ 化學複雜性起源：ALMA已經成功地從星際空間探測到了氧氣、水、鹽，以及糖和一批覆雜有機分子。宇宙中多樣的複雜有機分子和生命關聯物質都出現在毫米波/亞毫米波段，ALMA可以使人類更好地探索化學複雜性起源。
……
最後，讓我們共享ALMA所帶來的視覺盛宴，攜手星辰大海的征途……
上：ALMA部分科學成果，（左）愛因斯坦環；（中）年輕恆星的原行星盤中發現複雜有機分子；（右）環繞新生恆星的雪線，行星及其衛星的搖籃。下：ALMA全貌圖 | 圖源：ALMA
參考資料：
1）https://www.almaobservatory.org/en/home/
2）http://kids.alma.cl/category/discoveries/
3）https://chandra.harvard.edu/photo/2002/0157/
4）亞毫米波射電天文研究與ALMA國際合作項目項目建議書，紫金山天文台等，2004.10.
來源：中國科學院紫金山天文台