世界最大射電望遠(yuǎn)鏡陣列:光纜可繞地球二周

■ 任秋凌

來自20個(gè)國家的科學(xué)家正在制訂一項(xiàng)規(guī)模龐大的計(jì)劃，以建造一個(gè)巨型射電望遠(yuǎn)鏡陣列。這個(gè)望遠(yuǎn)鏡陣列占地面積相當(dāng)于一個(gè)大陸，能夠揭示行星、星系的誕生和暗能量的謎團(tuán)，同時(shí)也可用于搜尋地外文明發(fā)出的信號。

2030年年底投入使用

這個(gè)巨型射電望遠(yuǎn)鏡陣列名為“平方千米陣列”（以下簡稱SKA）。SKA并不是一個(gè)直徑達(dá)到1000米的射電碟形天線，而是由多達(dá)3000個(gè)較小的碟形天線構(gòu)成。SKA項(xiàng)目負(fù)責(zé)人理查德·斯基利齊表示：“碟形天線將采用橢圓形設(shè)計(jì)，直徑在15米左右，由于造價(jià)必須低廉，它們的構(gòu)造較為簡單?！?/p>

之所以建造一個(gè)如此巨大的陣列，是因?yàn)闊o線電波的波長遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過可見光。e-Merlin望遠(yuǎn)鏡陣列——坐落于英國曼徹斯特的喬德萊爾·班克射電天文臺——負(fù)責(zé)人西蒙·加林頓指出：“為了獲得與先進(jìn)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡同樣的觀測細(xì)節(jié)，需要鏡面直徑100千米的望遠(yuǎn)鏡。很顯然，你不可能建造一架口徑100千米的望遠(yuǎn)鏡，但你可以建造一個(gè)望遠(yuǎn)鏡陣列，通過將它們連接在一起達(dá)到同樣的效果?！盨KA的靈敏度將是目前地球上最靈敏的射電望遠(yuǎn)鏡陣列的50倍，解析度則將是后者的100倍。迄今為止，來自20個(gè)國家的參與者已經(jīng)投入15億歐元。這一項(xiàng)目預(yù)計(jì)于2024年前后完工，但真正投入使用還要等到2030年年底。

南非和澳大利亞成首選

SKA陣列建造地點(diǎn)的爭奪異常激烈，最被人看好的提議有二個(gè)：一個(gè)是澳大利亞西部，另一個(gè)是南非的北開普省。SKA項(xiàng)目南非負(fù)責(zé)人伯尼·法納羅夫表示：“最為重要的是找到一個(gè)受無線電傳輸干擾極小的地區(qū)。如果建造地附近存在任何強(qiáng)廣播信號，那就像是在太陽升起時(shí)觀察天空中的星星一樣。你不希望被手機(jī)信號覆蓋，也不希望周圍有很多人和汽車。我們在進(jìn)行最初的測試時(shí)發(fā)現(xiàn)，就算是坐到一把塑料椅上這樣微不足道的事情，也會產(chǎn)生干擾?！?/p>

在完成的陣列中，大約有50%的碟形天線位于中部5千米范圍內(nèi)，25%位于向外200千米范圍內(nèi)，最后的25%則位于最外部3000千米范圍內(nèi)。根據(jù)南非的提議，碟形天線將建在納米比亞、博茨瓦納、莫桑比克、馬達(dá)加斯加、贊比亞、毛里求斯、肯尼亞和加納。根據(jù)澳大利亞的提議，這個(gè)陣列將最遠(yuǎn)延伸至新西蘭。競標(biāo)負(fù)責(zé)人布萊恩·博伊勒表示：“澳大利亞建議的核心地點(diǎn)默奇森射電天文臺坐落于地球上一個(gè)人口最為稀少的地區(qū)。選擇澳大利亞和新西蘭可以讓望遠(yuǎn)鏡陣列覆蓋5500千米的區(qū)域。”

光纜長度可繞地球二周

SKA陣列的天線包括能夠?qū)o線電波聚集的傳統(tǒng)曲面碟形天線，其他天線則為平板式天線。這個(gè)陣列將以一個(gè)相控天線陣的形式投入工作，由于采用先進(jìn)的電子設(shè)備，將時(shí)間間隔以及到達(dá)陣列不同區(qū)域的相同無線電信號等因素考慮在內(nèi)，SKA陣列無須移動便可立即定向。SKA項(xiàng)目籌備階段英國負(fù)責(zé)人、喬德萊爾·班克天文臺的克里斯·申頓表示，這意味著允許望遠(yuǎn)鏡一次觀測不同方向。“我們可以按照自己的需要觀測很多方向的無線電波，這是一種優(yōu)勢，可以同時(shí)進(jìn)行多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。例如，我們可以對一個(gè)無線電波進(jìn)行研究，同時(shí)對另一個(gè)進(jìn)行非常詳細(xì)的觀測?！?/p>

然而，構(gòu)建這樣一個(gè)網(wǎng)絡(luò)絕非易事。信號同步精度必須達(dá)到1/108秒，所需光纜數(shù)量也是一個(gè)驚人數(shù)字，連接在一起的長度可繞地球二周。完成連接工作之后，電腦還要對每一對碟形天線進(jìn)行比較。每架望遠(yuǎn)鏡1秒可產(chǎn)生大約20GB數(shù)據(jù)，足以在短短幾分鐘內(nèi)裝滿存儲量最大的電腦硬盤。斯基利齊說：“我們需要擁有巨大的數(shù)據(jù)處理能力，根據(jù)我們的估計(jì)，只有世界上最強(qiáng)大的超級計(jì)算機(jī)才能勝任這項(xiàng)工作?！?/p>

解答一系列科學(xué)疑問

SKA陣列將負(fù)責(zé)解答一系列科學(xué)疑問，其中包括行星如何形成、引力波如何拉伸宇宙的結(jié)構(gòu)以及首批形成的星系如何演化。牛津大學(xué)的史蒂夫·勞林斯甚至希望SKA陣列能夠揭開暗能量的謎團(tuán)，他說：“SKA陣列就像是一臺時(shí)間機(jī)器。如果能夠看得更遠(yuǎn)，你所觀察到的宇宙就更為年輕，進(jìn)而了解宇宙膨脹過程。暗能量似乎加速宇宙膨脹，我們將發(fā)現(xiàn)這種能量并有可能揭開其真面目?！?/p>

SKA項(xiàng)目科學(xué)家、美國航空航天局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的約瑟夫·拉齊奧希望SKA陣列能夠上演一個(gè)更令人興奮的發(fā)現(xiàn)，即發(fā)現(xiàn)地球以外世界的無線電信號。他說：“SKA陣列將擁有足夠的靈敏度，能夠發(fā)現(xiàn)人為產(chǎn)生的無線電信號，進(jìn)而找到一些距離我們最近的恒星系統(tǒng)內(nèi)的類地行星。也許在50年內(nèi)，我們便可發(fā)現(xiàn)另一個(gè)在科技方面與我們相當(dāng)接近的文明?！?/p>

現(xiàn)在，SKA項(xiàng)目的國際籌劃指導(dǎo)委員會正在確定總部建造地點(diǎn)，候選地點(diǎn)包括荷蘭、德國以及英國的喬德萊爾·班克天文臺。2012年，他們將敲定SKA陣列的建造地點(diǎn)。博伊勒表示，SKA陣列一定會上演一系列預(yù)料內(nèi)和預(yù)料外的重大發(fā)現(xiàn)?！癝KA陣列將成為一個(gè)真正意義上具有變革性的科學(xué)儀器。我們將得出一系列出人意料的發(fā)現(xiàn)?！?/p>