当您听说大型科学项目（例如大型新望远镜或数英里长的粒子加速器）时，通常是在他们做出的重大科学发现的背景下进行的。但在任何人能够取得重大科学突破之前，需要有人设计和建造这些大型设施。这可能意味着为了浇筑混凝土而需要集中国际合作、运行电力线路以及面对极端天气条件。
从咀嚼光纤线的老鼠到抵御 100 度高温的充气帐篷，科学在遇到现实世界时可能会变得混乱。我们采访了三个当前和即将到来的大型科学项目的代表，了解如何将一块贫瘠的岩石和泥土变成世界一流的天文台。
检测新事物
许多大型设施都是对现有项目的渐进式改进，但有时科学会朝着全新的方向迈出一步。这就是 LIGO（激光干涉引力波天文台）设施于 2015 年首次探测到引力波时所发生的事情，研究人员因此获得了诺贝尔物理学奖。
进行探测的设施最初是一个名为“初始 LIGO”的简陋版本。它的设计目的是测试是否有可能达到探测引力波所需的探测器灵敏度，即使是这个“基本”版本也花费了数十年的规划和工作。
雪城大学的引力波专家斯蒂芬·鲍尔默（Stefan Ballmer）参与了该设施的初始版本和高级版本的工作，他描述了原始设施的动力：“我们认为我们可以实现这种令人难以置信的灵敏度，所以让我们花最少的钱来证明它是可行的。”
最初的 LIGO 于 2002 年至 2010 年投入运行；在那段时间里，它没有探测到任何引力波。不过，这并不一定是失败，因为天文台确实达到了探测所需的灵敏度——许多人不确定这是否可行。
“如果人们对整件事心存疑虑，并不是因为他们不相信引力波的存在。他们对见到他们所需的表现表示怀疑。从这个意义上说，Initial LIGO 做到了，”鲍尔默解释道。
因此，研究人员能够获得资金将该设施升级为高级 LIGO，工作于 2008 年开始。借助改进的探测器，天文台几乎立即进行了探测。 “有了 Advanced LIGO，我们很幸运。一旦我们真正打开机器，我们就开始看到事件。”
选择正确的位置
当今大型项目的最大问题之一是它们的位置。此类项目通常是大型国际合作项目，因此规划者需要找到一个既环境适宜且当地政府愿意支持该项目的地点。
平方公里阵列组织副总干事兼项目总监约瑟夫·麦克穆林 (Joseph McMullin) 表示：“这是当今面临的巨大挑战，单一国家无法真正完成下一个前沿所需规模的工作。” “所以这需要这些国际合作。”
平方公里阵列是一个即将建成的射电天文台，包括在两个地点建造的天线，一个在南非，一个在西澳大利亚。选择这些站点主要是因为无线电观测的最大问题——射频干扰。无论人类在何处产生无线电波，例如手机和笔记本电脑，这种辐射都会干扰天文学家试图检测的微弱信号。
“我们正在做的事情的挑战是通过我们大气层的各种屏幕，甚至在某些情况下通过星际介质或星系间介质，观察非常微弱的源，然后我们仪器的所有系统 – 然后尝试校准这些以便我们可以保留该特定信号，”麦克穆林解释道。 “额外的传输使这些影响变得复杂。”
问题在于，无线电干扰水平较低的地点往往人口稀少，这使得建造它们具有挑战性。理论上，像南极洲这样的地方是放置射电望远镜的完美地点，但建造和人员配备的困难在这样的位置使其不切实际。
为 SKA 选择的两个地点具有拥有一些现有基础设施的优势，因为它们已经拥有由合作机构托管的望远镜。当涉及修建道路或运行电力和供水线路等要求时，将望远镜聚集在适当的位置有助于分担负载。
在您开始为施工所需的工人建造住宿和食堂等结构之前，这都是必要的。 “我们经常认为我们正在建造一座天文台，但实际上我们正在建造城市，”麦克穆林说。
分担负载
当研究人员在规划即将在智利帕琼山上建造的维拉鲁宾天文台时，他们也有类似的担忧。他们需要一个云层覆盖率低且有充足晴朗夜晚的地点进行观测，但他们也想要一个拥有良好基础设施的地方。
他们选择的山上已经安装了另外两个大型望远镜，Gemini 和 SOAR，以及其他较小的仪器，更多的仪器位于下一座山上。
“我们非常偏远，但并不孤立，”鲁宾天文台望远镜和站点项目经理杰夫巴尔解释道。 “我们有邻居，邻居需要他们已经建成的基础设施。”
这意味着附近已经有电力和水源，还有允许施工人员和设备上山的最重要的道路。还有一个现有的通信基础设施，这是一个基于天线的广播系统，但这不足以满足鲁宾每晚产生的大量数据。
因此，鲁宾同意铺设光纤线路进行通信，这不仅可以为自己的天文台服务，也可以为山上的其他天文台服务。这些天文台隶属于同一个名为 AURA（天文学研究大学协会）的联盟，因此它们共享共同的基础设施。
“每个新天文台都会有某种程度的认可，”巴尔说。 “它提供了一些以前没有的东西，所以你们可以共同分担在山上工作所需的成本和投资。”
奠定基础
您可能会认为铺设光纤线路是一件简单的事情，这与越来越多地为许多城市地区的居民家庭提供光纤连接的公司没有太大不同。然而，在如此偏远的地点进行建设存在一些挑战。
山谷中现有的电线杆悬挂在电线杆上，因此团队可以使用这些电线杆来悬挂光纤线。但在为鲁宾和其他天文台分开后，该线路必须大部分进入地下。
“在这座山上工作的挑战之一是，一旦你开始挖掘，向下六英寸，它就会变成坚固的岩石。非常扎实，”巴尔说。 “你实际上必须将其炸开才能打出任何大小的洞。”
这使得手提凿岩变得困难，因此通常将绳索铺设得尽可能深，然后在其顶部堆砌岩石。那块岩石提供了一些保护，但该线路仍然容易受到当地啮齿动物的攻击，这些啮齿动物经常咀嚼电缆。 “我们一直都有害虫防治服务，但即便如此，当绳索被咬坏时，我们仍然必须返回并进行维修。”
巴尔说，饥饿的啮齿动物是在如此野生环境中工作的重要组成部分：“这是很自然的。除了天文台周围的区域之外，几乎就只有山了。”
这些观测站按照指导方针开展工作，尽量减少对环境的影响，包括一些受威胁的仙人掌和内脏物种的栖息地，这些物种是生活在该地区的稀有（而且非常可爱）的兔子状啮齿动物。
遗产影响
不过，保护问题不仅仅适用于环境问题。一些用于天文台的地点对人类具有重要的遗产意义。例如，西澳大利亚州的 SKA 站点位于瓦贾里县 (Wajarri Country)。 Wajarri Yamaji 是望远镜建造地的传统所有者，因此该组织与 Wajari 合作，确保文化遗产受到保护，例如在破土动工之前与 Wajari 文化遗产监测员一起进行现场巡查并持续监测施工期间。
“这些是我们的同事和邻居，他们从根本上来说是团队的一部分。他们中的许多人正在与我们一起建造天文台，”麦克穆林说。 “他们也拥有悠久的天文观测历史和遗产。因此，它通过人们使用的不同技术将这些东西联系在一起。”
还考虑了澳大利亚和南非场地的长期影响，这些场地的设计目的是最终退役，以便土地可以恢复到原来的状态。
“我们计划将其建成 50 年使用期的天文台，”麦克穆林说。 “所以你去那里，你建造，你做你的研究，然后你退役。你可以将该区域恢复到原来的状态。”
在困难的环境中建设
无论是西澳大利亚超过 100 华氏度的气温，还是帕雄山的强风和地震风险，您想要建造天文台的地点通常并不欢迎施工。
冬季下雪时，进入智利这座山的通道可能会被切断数周，即使可以进入，条件也意味着工作时间比其他地方要长。
“你必须明白，事情不会像你预期的那么快，”巴尔说。 “对于从事技术工作来说，这是一个充满敌意和不受欢迎的环境。在你设计的几乎所有东西中你都必须考虑到这一点。”
在澳大利亚，SKA 团队需要在许多不同地点安装超过 100,000 个天线，因此他们通过在场外尽可能多地准备安装来应对高温和高紫外线。当他们到达现场时，他们将使用专门设计的充气空调帐篷来保护他们在工作时免受恶劣天气的影响。
但即使是条件不那么恶劣的地方也面临着挑战。对于下一代引力波探测器，设计者必须运行 25 英里长的非常直、非常扁平的管道。
“具有讽刺意味的是，探测器最大的部分根本什么都没有，”鲍尔默说。 “这是一条 40 公里长的真空管，你必须把它安装在某个地方。”
对于美国计划安装的探测器，其想法是主要在地面上运行，因为应该有足够的空间来运行。然而，在欧洲，另一个引力波探测器也正在计划中，但没有足够的地面土地来运行地上探测器，因此它可能必须进入地下。这增加了建设费用，但也使维护变得更加复杂。
“我们追求的是简单性，”鲍尔默说。 “建造这些探测器已经够复杂的了！凡是我们能保持简单的事情就更好了。”
人为因素
将机器和设备运送到现场是一回事，但即使有世界上所有的工具，施工仍然需要人来完成。在鲁宾，施工期间每天都有超过 100 名工人组成的团队在现场。巴尔说：“我认为，劳动力的损失——人为因素——与其他因素一样具有挑战性。” “这真是一个困难的环境。”
工人们不仅要应对山顶的寒冷、大风、灰尘和高海拔条件，而且要花几个小时才能到达现场，因此许多人每天要花十二个小时在远离山顶的地方。早上 6 点回家，离开“对我而言，最令我惊奇的是这些人，”巴尔说。 “他们可以在那种环境下工作并完成这些艰难的事情。”
这类项目从构思、设计、施工、调试到天文台正常运行，需要数十年的时间，因此最初推动其建设的人们完全有可能在他们开始从事科学研究时就退休了。但这不一定是问题，因为前几代人为刚刚开始其职业生涯的新一代科学家构建并传承了工具。
鲍尔默说，这种对未来的义务感是建造新引力波探测器的部分动机，但思考如何实现这样的事情也很有趣。
“这在某种程度上是为下一代物理学家提供的服务，”鲍尔默说。 “而且，当你坐下来看看这些机器的可能性时，你可以建造一些东西，可以看到每个黑洞，直到最早的恒星，你可以观察这些星系中恒星大小物体的现象，甚至韦伯望远镜在解决问题上遇到了困难——不尝试这样做几乎就是犯罪。”