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多伦多大学天体物理学家的工具箱

第谷·布拉赫(Tycho Brahe)伽利略·伽利莱(Galileo Galilei)尼古拉·哥白尼(Nicolaus Copernicus)开始,天文学在几个世纪里取得不可思议的进步。今天,专业天文观测者所用的仪器远远超过了早期望远镜的性能。

多伦多大学的太空学者感到庆幸的是,他们所在的邓拉普天文与天体物理研究所(The Dunlap Institute for Astronomy & Astrophysics)天体物理仪器发展方面处于领先地位。

多伦多大学所设计的设备令人眼花缭乱,如果要想探索他们或者其中一部分,恐怕需要一本教科书作为指导,以下是正在进行的研究:

 

什么是望远镜?

现在,许多人口中的望远镜已很少用于研究。业余爱好者和发烧友常用的熟知的镜筒基本上在学术界已经过时。

虽然也有例外,但这种望远镜主要由业余天文学家和发烧友使用。

自然界的信息以波的形式传播,一些最有用的波是在电磁波谱中被发现的。我们视光谱中间的波体现为颜色无线电波的波长较长,而伽马射线和X射线的波长较短

通过不同种类的望远镜,探测不同种类的波,并了解不同的关于宇宙的知识。例如,就像好莱坞的间谍利用红外镜探测人类的热量一样,红外望远镜也可以用来探测天体的温度。

 

加拿大氢强度测绘实验仪

加拿大氢强度测绘实验仪(CHIME)是一种探测地外无线电波的望远镜。位于不列颠哥伦比亚省南部山区自治州无线电天体物理天文台(Dominion Radio Astrophysical Observatory),加拿大氢强度测绘实验仪正在绘制半个夜空,最远距离可达数十亿光年以外,这是迄今为止所测量的最大空间。

仪器名字中的“氢”部分指的是它对中性氢踪迹的搜索。中性氢的测量可以严格限制奇异的暗能量理论。

但该仪器还有其他用法。

参与该项目的邓洛普教员基思·范德林德(Keith Vanderlinde)教授在电子邮件中说:“在这一过程中,我们还实现了一些其他的科学目标,从监测脉冲星到寻找快速射电暴(Fast Radio Bursts)。这些发现都充分利用了这台新望远镜的力量。”

CHIME首次投入使用是在20179月,但是多伦多大学对仪器发展的贡献可以追溯到更早的时候。

范德林德补充道:“多伦多大学从一开始就参与策划设计了CHIME。”

“施工期间,我们的团队时刻关注着超级计算机后台,指挥CHIME向天空,将收到的原始无线电波转化为有意义的图像数据——以几乎(每秒1000字节)的速度将原始数据变成更易于管理形式—— 并根据不同项目的需求,产生不同的数据流。现在,大多数东西都已经启动并运行了,我们正在深入调试和分析工作,以确保我们理解自己正在测量什么。

 

加拿大无线电天文学计划

在邓拉普的主任布莱恩·詹兹勒(Bryan Gaensler)教授的领导下,加拿大无线电天文学计划(CIRADA)本身与其说是一个实验,更不如说是一个网络项目。该计划意在提升加拿大望远镜的参与度CHIME新墨西哥州的卡尔·央斯基(Karl G. Jansky)甚大天线阵(Very Large Array, VLA)以及澳大利亚千米阵列(Australian Square Kilometre Array Pathfinder)

CIRADA的目标是为加拿大天体物理学家提供必要的工具,将望远镜的大量原始数据转换成易于使用的目录和照片,以便科学家和公众能够探索这些数据集,并为发现做出贡献。

VLA天空调查(VLASS)项目中,多伦多大学通过对宇宙磁力的分析,引导CIRADA的发展。

詹兹勒在给The Varsity的一封电子邮件中解释道:VLASS允许通过无线电波进行三种类型的实验:绘制黑洞发射图、寻找爆炸点以及研究宇宙磁场。

作为CIRADA的一部分,多伦多大学的研究小组正VLASS上获取图像,并将其转换成太空磁场图,这有点像你高中时在玩具磁铁上撒铁屑绘制的简单磁场图。


蜻蜓望远镜

蜻蜓望远镜阵列作为一个“典型”望远镜,最初的想法就是把市面上能买到的照相机镜头拼接在一起。

这款望远镜最初邓拉普天文和天体物理研究所教授罗伯托·亚伯拉罕(Roberto Abraham)2013年设计的。这个创意品由三个与世界杯等赛事使用的镜头型号相同的佳能400毫米镜头组成。这个阵列不是用来看足球的,而是并排放置,并指向夜空用来探索星系。

如今,这个阵列已经发展到48只镜头,每只镜头都经过了修改以去除多余的光线。它是世界上最大的单由折射望远镜组成的阵列,与更流行的反射望远镜形成对比。

虽然设计理念更简单,比起其他体型更大、设计更复杂的望远镜,这款蜻蜓望远镜用途也很广泛。

它的多个透镜作为滤光片,在产生无光学噪声的精确图像时,可用于探测微小物体。

今年早些时候,该阵列发现了一个似乎没有暗物质的星系,而在此之前人们认为暗物质普遍存在在所有星系中。

 

双子红外多目标光谱仪

红外线天文学家通常使用在无线电与可见光之间的频率来观测星象。

双子红外多目标光谱仪(GIRMOS)是目前多伦多大学对红外天文学领域最大的贡献。

在邓拉普天文天体物理研究所教授苏雷什·施瓦南丹(Suresh Sivanandam)的带领下,双子红外多目标光谱仪可将检测到的输入信号分离成其组成部分的波长,并同时记录下这些组成部分。

“双子红外多目标光谱仪是一个独一无二的科学仪器,可专门用来研究数十亿光年之外的遥远星系”施瓦南丹教授在给多大校报The Varsity的一封邮件中说,“这些星系在天空中非常小,我们需要使用最先进的光学技术——自适应光学,来获取这些物体的高分辨率图像。有了双子红外多目标光谱仪,我们将能够详细研究这些星系的外观以及它们是如何形成星球的。这也将帮助我们拼凑出我们自己的星系是如何形成的。”

双子天文台在夏威夷和智利的帕切翁山有两个天文望远镜,而这个项目也是基于其接收到的数据。

尽管地理位置遥远,但这个项目仍然特显了加拿大人的独创性。

施瓦南丹说:“双子红外多目标光谱仪确实是加拿大主导的一个项目,研究机构遍布全国各地。该项目利用加拿大境内现有的科学和技术知识铸造了这一仪器。该项目是未来科学光学仪器、下一只大型望远镜‘30米望远镜’的一个探路者。”

施瓦南丹还指出,“从拍摄太阳系周围的行星到研究早期宇宙的一些星系,在许多利用双子天文台的项目中,多伦多大学都发挥了科学领导作用。”

 

极望远镜3G

阿蒙森-斯科特(Amundsen-Scott)南极科考站位于地理上的南极:地球最南端。它奇特的地理位置有着一些人类已知仅次于外太空的最恶劣的环境条件。

“每年2月到11月,由于天气恶劣,南极是无法到达的。”博士生马特·杨(Matt Young)在一封电子邮件中写道,“我们有两位科学家,他们叫‘越冬者’,在这段时间会留在空间站,为了努力让望远镜在地球上一些最极端的天气条件下也能正常工作。太阳会连续6个月在地平线以下,使他们处于724小时的黑暗和零下60摄氏度的温度中。”

这座科考站最初是由美国建造的,现在是国际天体物理仪器的收藏地,其中包括与科考站同名的南极望远镜(SPT)

南极望远镜可以探测到从微波到亚毫米波等多种波长的波。自2006年望远镜建成以来,许多摄像设备都被用来记录观测到的情况。这些相机中最新的是南极望远镜3G(SPT-3G),这是一种微波相机,而它的探测器就是在多伦多大学进行测试的。

范德林德(Vanderlinde)、前邓拉普研究员泰勒·纳托利博士(Dr. Tyler Natoli)和杨都是多伦多大学对南极望远镜的主要贡献者。

2017年至2018年冬天前往南极帮助安装南极望远镜3G也对从最新相机中能收集到的潜在信息感到兴奋。

南极望远镜3G)将使我们能够比以往任何时候都更详细地观察宇宙微波背景,即宇宙大爆炸后发出的光,细节比以往更清楚。我们目前在多伦多有一个探测器,我也将带着它去南极并将其安装在相机里。”杨写道。

 

翻译/Translate:庞皓予/Haoyu (Simon) Pang,聂韬/Tao Nie

校对/Proof: 钱文聪/Wencong Qian

终校/Final Read:李映雪/Yingxue Li

 

天空的和声

“天体不过是几段声音连成的歌曲。” 十七世纪的德国天文学家约翰尼斯·开普勒(Johannes Kepler)这样写道。开普勒可能从未想过,这种令人着迷的音乐宇宙可以成为现实。拜天体物理学家马特·鲁索博士所赐,空间的魅力如今不仅对我们来说视觉可见,还震撼着长期被我们所忽视的双耳。

鲁索目前担任多伦多大学邓拉普天文学和天体物理研究院(Dunlap Institute for Astronomy & Astrophysics) 的天文馆操作员,以及塞内卡学院(Seneca College)教授的职位。去年五月份,他因率先将特拉普派-1星系(TRAPPIST-1 star system, 译者注:是一颗表面温度极低的红矮星,距离地球约39.13光年,位于宝瓶座内。)的轨道频率缩放到人类听觉范围内,创造了一种交互式的交响乐而受到全球关注。

国际上已有出版物和电台媒体承认了这项壮举,此后他继续深入研究了“太空音乐”这个新兴领域。我们的音乐宇宙(Our Musical Universe)是他在天文馆的新表演,其放映可视空间内的每一个可能的视听资源。

“特拉普派-1星系是目前发现的最音乐化的太阳系,但宇宙中充满了许多复杂且美丽的音乐和声。”鲁索写道。“从脉冲星到土星环波,我创造了我们的音乐宇宙来展现惊人的宇宙音乐。”。我们的音乐宇宙在多伦多大学天文学和天体物理馆中不定期上映,门票往往在短时间内被一抢而空。

天文馆是一个坐落在圣乔治街50号(50 St. George Street)地下室的拱顶小房间。该展出从人们熟悉的景象开始:多伦多屏蔽了一切光污染的天际线,让宇宙闪耀着其本身的威严。

虽然令人惊叹,但星空展示在天文馆表演中并非少见。我们的音乐宇宙真正有创意的闪光点恰恰在于其黯淡之处——黑暗中,鲁索宛如弹奏大键琴一般拨动星弦。

“本活动旨在让参加者从一个全新的,且常常令人惊奇的角度体验宇宙,包括一个比起利用视觉更倾向于利用听觉的人群的感知角度。”罗素解释道,“这次展览起初设计时就有考虑到视觉障碍者。我希望创造一个能让每个人都能心情激动地从全新的角度感受宇宙的展览;同时方便那些无法从传统视觉天文学教育中学习太多的人。”

这场展出从多伦多延伸到宇宙的可探测边缘,音乐一路随行——它甚至可以称为一场稍有视觉点缀的交响盛宴。

罗素确实是一位天体艺术大师。他做到了用辨识度极高的音符来清楚地表现外星声音。所有这一切都通过人类能想象的最怪异的乐器完成:他的全套乐器能表现的声音范围极广,从北极光到土星环都是。

很多经验丰富的天文学家非常惊讶于数据中所蕴含的声音,它们都在等待被人聆听。”鲁索解释道,“我们可以将一些探测器从宇宙中捕捉的电子信号放入扬声器,就像插上一把宇宙电吉他的插头。”

人们一想到宇宙电吉他,便毫不意外地滋长了对这个展览的热情,卖得火爆的门票即证明了这一点。

“看到科研的延展跨越了一贯的障碍,使更多人得以接触科学,我深受鼓舞。”阿育诗·潘迪(Ayush Pandhi)表示道。他在多伦多大学的天文与空间探索学会(U of T’s Astronomy and Space Exploration Society)任座谈会联合主任一职。

“我认为公众对科学很感兴趣,但科学研究常使人感到难以理解或遥不可及。这样的活动在解决这种问题方面会有很大的帮助。”

此展览大致时长为一小时,门票每人十加元。


翻译/Translate: 侯霖/Lin Hou, 井欣/Shrike Jing

校对/Proof: 杨典潼/Diantong Yang

终校/Final Read: 王雪琪/Xueqi Wang

背负式入轨

第一颗人造卫星伴侣号(Sputnik 1)是一个非常小的球体——直径只有58厘米。而在当今二十一世纪,我们甚至研发出了更小的人造卫星。1月19日,多伦多大学(U of T)的创业公司开普勒通讯(Kepler Communications)将它的第一颗纳米卫星发射入轨道。

尽管这里提到的纳米尺度并不像生物学家和物理学家所熟悉的那样小,但开普勒的卫星的确比上个世纪的标志性卫星要小一个数量级。根据加利福尼亚州立理工大学(California Polytechnic State University)和斯坦福大学(Stanford University)的教授们于1999年提出的标准立方卫星(CubeSat)概念,开普勒第一颗卫星的大小与一个长条面包相当。

虽然该卫星的体型可能很小,但它所体现的技术却并不简单。卫星内部是开普勒的大容量软件定义无线电(SDR, Software-defined radio)和天线。软件定义无线电的优点是不像传统卫星那样受限于固定带宽。由于带宽决定了数据速率,软件定义无线电可以提供需要不同带宽的服务 ——这使得人们不必再为不同的服务发射不同的卫星。

开普勒的软件定义无线电主要在Ku波段里运行,该波段包括1014千兆赫兹的高频率。更高的频率需要更小的物理组件,这不仅使卫星拥有了更高的带宽,而且还降低了卫星的成本。

他们一月份时,在中国西北部升空的长征火箭搭载了开普勒发射的这颗卫星。立方卫星的一个好处体现在对于运载工具选择上的多样性。我们可以借助许多不同的运载工具发射卫星,也就是说,我们可以根据可用性来变换运载工具。开普勒的联合创始人兼业务发展副总裁杰夫·奥斯本(Jeff Osborne)在致The Varsity的一封电子邮件中写道。

和开普勒的人造卫星大小相当的卫星通常是其他组织的火箭的次级有效载荷,而这被称之为背负式运输(Piggy-backing)。背负式运输意味着你在搭一个更大的卫星的顺风车。奥斯本说。在一颗大卫星发射之时,运载火箭中多余的空间将会以与该空间相符的价格销售出去,而我们就会买下这些。 到达轨道后,卫星的部署很简单:它会直接从从更大一级的航天器中弹出。

在第一个项目取得成功的同时,开普勒通讯的未来变得越来越光明。从现在开始,我们希望在2018到2019年的时间范围内发射20到40个航天器,最终达成建立140个卫星星座群的目标。 开普勒联合创始人兼首席执行官米娜·米特里(Mina Mitry)在多伦多大学新闻(U of T News)的一次访谈中表示。我们每三年就要研发一批新卫星,这样我们就可以开发出更先进的技术来提升我们的卫星网络。

当前作为大联盟中的一个成员,开普勒的团队并没有忘记它在多伦多大学的根源。当下我们正在与多伦多大学的研究人员合作,进行一些关于下一代天线技术发展的研究。奥斯本说。他们还将早期的成功部分归功于多伦多大学航空航天学院创业项目(Institute for Aerospace Studies Entrepreneurship Program)和另一个创新创业项目——多伦多大学孵化器(U of T Hatchery)。

学校并不仅仅局限在教室之内。开普勒团队中有几个成员曾经是多伦多大学航天队(UTAT, U of T Aerospace Team)2004年的创始成员。多伦多大学航天队目前正在试图将他们自己的卫星送入轨道。

如今的多伦多大学航天队是如何看待他们的明星先驱的?我通常把成功企业的创始人视为那些人, 他们就像是注定要走这条路。多伦多大学航天队空间系统部的电力系统主管米切尔·奥(Mitchell Au)说。但是,得知这个人起初是我们中的一员,这一点是相当鼓舞人心的。


翻译/Translate: 黄麒燕/Qiyan Huang

校对/Proof: 王姝锦/Shujin Wang

终校/Final Read: 刘卓颖/Zhuoying Liu

二十五岁以下可享受免费药品补助

如果你随机请一位路人列举出加拿大最具代表性的事物,你肯定会得到一大堆杂七杂八的反馈。在答案中,位列第一的很有可能是枫糖浆和冰球,可能还有令本地人十分骄傲的五彩纸币和加拿大国家电视塔。这些答案中最有可能出现的,是我们通用的医保系统。

鉴于几乎所有除美国以外的发达国家都采用这种免费、方便、通用的医保系统,加拿大人对这个并非他们独有的医疗系统感到如此自豪的行为可能会令人不解。

据加拿大统计局2013年的社会普查反映,64%公民投票表示他们为这个国家的医疗系统感到骄傲,并且医保系统与其军事力量并列为国民心中的第二大骄傲。

除去夸大的赞扬,加拿大的医保系统缺乏其他发达国家医保系统都有的补贴处方药项目。

大约十分之一的加拿大人是出于经济原因不得已放弃开处方药。该问题是安省政府计划在2017年预算内随着安省健康保险 (OHIP+) 项目推出着手解决的众多问题之一。

自这个计划11日起开始实施以来,安省健康保险提供超过4400种药物(这其中只有一半能被已经存在的安省药物福利计划(Ontario Drug Benefit plan)报销)。任何25岁以下持有安省医保卡的公民都可以免费拿药。

“19-24岁的年轻人因为高失业率和低收入可能很少能够接触到处方药报销或没有资金来源自掏腰包买药,健康和长期护理传播营销部门(the Ministry of Health and Long Term Care’s Communications and Marketing Division)的大卫·杰森(David Jensen)写到:“安省年轻人(年龄在15-24之间)的失业率几乎是25岁以上的成年人失业率的三倍。

多伦多大学卫生政策管理和评估协会(U of T’s Institute of Health Policy, Management, and Evaluation)的丹尼耶·马丁博士(Dr. Danielle Martin)和大学的公共政策管理学院一致认为健康保险项目是安省在医保上的一大进步。

马丁解释道:“对于安大略省的年轻人和他们的家庭来说,健康保险项目的引入是一个很了不起的事情。我们这里的医生常常会碰到一些支付不起处方药费用的家庭,而这些药物有时候是救命药,或者是对孩子或年轻人的生活质量至关重要的药物。

马丁是2020年药物补助计划报告的作者之一,该报告呼吁国家对部分药物费用进行全面报销。马丁还曾在美国参议院为单一付费医疗体系辩护。

不过,马丁指出这一项目只是迈出了第一步。她说:“25岁以下人群报销处方药费用是加拿大全民药物补助计划中至关重要的一步,这一项目将为大量人群带来好处。现在我们只需逐步缩小25岁至65岁之间人群的差距。

把安省健康保险项目说成通向全民药物补助计划的最佳起点并不是一个最精确的表述。一份最新的议会预算官员报告显示,从长远来看,立即引入一个覆盖所有人群的补助项目实际上要比引入安省健康保险更便宜。

该报告内容引发了一些对安省健康保险项目的批评。多伦多大学杰西卡·罗斯博士(Dr. Jessica Ross)是批评者之一,她在多伦多星报中发表的一篇评论文章中指出:“安省健康保险是前进的一小步,但并非是聪明的一步。相反,罗斯支持采用覆盖安省所有年龄段人群的补助项目。

除此之外,还有一些针对省政府将如何支付健康保险项目费用的质疑——带着四亿六千五百万加元的标签,该项目的开展并不便宜。

尽管自由党认为健康保险是一个预算平衡的项目,但因分解账目并未被包含在预算文件里,四亿六千五百万加元这一数字仍然令人半信半疑。这也导致了安大略省新民主党领导人安德烈·霍瓦特(Andrea Horwath)认为这一数字是在最后一刻添加到预算中的。

尽管如此,安省健康保险项目受到了部分多伦多大学学生的欢迎。多伦多大学学生会(UTSU)内务部副主席达曼·塞恩(Daman Singh)说:“健康保险项目总体来说对学生是有好处的,我们希望这个项目能对多伦多大学学生会医保计划有补充作用,并且我们不认为它会有什么负面影响。

一些惯于冷嘲热讽的人可能会质疑健康保险项目的开展时机。不过分地说,该项目的引入,结合最低工资的提高和最近对安大略省学生奖励计划(OSAP)中福利的提高,是自由党在今年夏季将要进行的省级选举到来之前,为拉拢年轻选民做出的决定。

这一行动有多有效?只有交给时间和投票箱来证明了。


翻译/Translate: 王姝锦/Shujin Wang, 王佳盈/JiayingWang

校对/Proof: 万春潇/Chunxiao Wan, 钱文聪/Wencong Qian

终校/Final read:余思杭/Sihang Yu, 谢旻怡/Minyi Xie