世界最大射電望遠(yuǎn)鏡陣列將揭示眾多宇宙謎團

□ 楊孝文

來自20個國家的科學(xué)家正在制定一項規(guī)模龐大的計劃，建造一個巨型射電望遠(yuǎn)鏡陣列，占地面積相當(dāng)于一個大陸，能夠揭示行星和星系的誕生和暗能量的謎團，同時也可用于搜尋地外文明發(fā)出的信號。

2030年底投入使用

這個巨型射電望遠(yuǎn)鏡陣列名為“平方千米陣列”（以下簡稱SKA），“平方千米”這個名字就是為了突出其所覆蓋面積之大。SKA并不是一個直徑達到1000米的射電碟形天線，而是由數(shù)千個較小的碟形天線構(gòu)成。國際SKA項目負(fù)責(zé)人理查德·史利茨(Richard Schilizzi)表示：“我們將采用較小的天線，直徑大約15米。理由很簡單，這樣做的成本更低，尤其當(dāng)你考慮到你需要建造3000臺這種天線時，就要更加注重價格問題了。”

之所以建造一個如此巨大的陣列的原因在于：無線電波的波長遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過可見光。一架光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的觀測波長可達到10毫米，將其“放大”到射電天文學(xué)研究需要的厘米波長遭遇挑戰(zhàn)。座落于英國曼徹斯的喬德萊爾·班克射電天文的e-Merlin望遠(yuǎn)鏡陣列負(fù)責(zé)人西蒙·加林頓指出：“為了獲得與先進光學(xué)望遠(yuǎn)鏡同樣的觀測細(xì)節(jié)，你需要鏡面直徑10萬米的望遠(yuǎn)鏡。很顯然，你不可能建造一架口徑10萬米的望遠(yuǎn)鏡，但你可以建造一個望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò)，通過將它們連接在一起達到同樣的效果?！?/p>

SKA的靈敏度將達到目前地球上任何射電望遠(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個國家的參與者已經(jīng)投入15億歐元（約合20億美元）。這一項目預(yù)計于2024年前后完工，但真正投入使用還要等到2030年底。

南非的SKA陣列從加納延伸到肯尼亞

這是建成后SKA陣列核心區(qū)域天線陣的效果圖

南非和澳大利亞成首選

SKA陣列建造地點的爭奪異常激烈，最被人看好的提議有兩個，一個是澳大利亞西部，另一個是南非的北開普省。SKA項目南非負(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廣播信號，那就像是在太陽升起時觀察天空中的星星一樣。你不希望被手機信號覆蓋，也不希望周圍有很多人和汽車開來開去。我們在進行最初的測試中發(fā)現(xiàn)，就算是坐到一個塑料椅上這樣微不足道的事情也會產(chǎn)生干擾?！?/p>

建成之后，整個陣列中大約50%的望遠(yuǎn)鏡天線將位于中央的5千米半徑內(nèi)，另外的25%將外延至20萬米范圍，最后的25%將延伸超過3000千米。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默奇森射電天文臺座落于地球上一個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?！?/p>

光纜長度可繞地球兩周

SKA陣列的天線包括傳統(tǒng)曲面碟形天線，能夠?qū)o線電波聚集，其他天線則為平板式天線。這個陣列將以一個相控天線陣的形式投入工作，由于采用先進的電子設(shè)備，將時間間隔以及到達陣列不同區(qū)域的相同無線電信號等因素考慮在內(nèi)，SKA陣列無需移動便可立即定向。

SKA項目籌備階段英國負(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，可以同時進行多項實驗,舉個例子，我們可以在進行大范圍巡天觀測的同時對其中的某個天區(qū)進行詳細(xì)的觀測?！?/p>

然而，構(gòu)建這樣一個網(wǎng)絡(luò)絕非易事。信號同步精度必須達到十億分之一秒，所需光纜數(shù)量也是一個驚人數(shù)字，連接在一起的長度可繞地球兩周。完成連接工作之后，電腦還要對每一對碟形天線進行比較。每架望遠(yuǎn)鏡一秒鐘可產(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。史利茨說：“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，只有世界上最強大的超級計算機才能勝任這項工作?！?/p>

建成后SKA的范圍

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·勞林斯希望SKA陣列能夠揭開暗能量的謎團。他說：“平方千米陣列就像是一臺時間機器。如果能夠看的更遠(yuǎn)，你所觀察到的宇宙就更為年輕，進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項目科學(xué)家、美國航宇局噴氣推進實驗室的約瑟夫·拉齊奧希望SKA陣列能夠上演一個更令人興奮的發(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)另一個在科技方面與我們相當(dāng)接近的文明?！?/p>

現(xiàn)在最新的消息是：英國焦德雷爾班克射電天文臺已經(jīng)擊敗來自荷蘭和德國的競爭對手，被選為SKA設(shè)備的全球總部，全面負(fù)責(zé)該項目的協(xié)調(diào)運行。今年，也將最終決定SKA陣列的最終選址地點。