中國發(fā)起并全程參與SKA的追夢之旅

□中國科學(xué)院國家天文臺 喻業(yè)釗 劉麗佳 柴曉明 彭勃

中國發(fā)起并全程參與SKA的追夢之旅

□中國科學(xué)院國家天文臺 喻業(yè)釗 劉麗佳 柴曉明 彭勃

SKA，中文全稱平方千米射電望遠鏡陣，是國際上多個國家擬共同建設(shè)中的一個大型射電望遠鏡陣列項目。從項目提出伊始，中國天文學(xué)家就參與其中，到如今已是23個年頭了。近來頻繁出現(xiàn)在公眾視野中的貴州FAST——500米口徑球面射電望遠鏡，也正是在中國參與SKA項目的過程中孕育出來的。今天，就讓我們來了解一下中國射電天文學(xué)家這23年的追夢之旅，以及FAST與SKA的不解之緣。

時間要回到1993年，在京都，第24屆國際無線電科學(xué)聯(lián)盟大會正在舉行。會上包括中國在內(nèi)的來自10個不同國家的天文學(xué)家共同聯(lián)合發(fā)起一個倡議：為了在人類徹底破壞地球電磁環(huán)境之前，仔細(xì)地在射電波段好好看一眼宇宙的模樣，我們要攜起手來，建造一個接收面積達到一平方千米的射電望遠鏡陣列。這個計劃，就是現(xiàn)在正在進行中的平方千米陣計劃，一般我們用其英文縮寫名稱稱呼它——SKA。

KARST計劃在貴州省遴選到的部分候選站址。圖中圓點標(biāo)志出了候選臺址，不同顏色代表不同的山峰數(shù)目，例如：紫色表示該洼地由3個山峰環(huán)抱而成。

提出SKA計劃之后，各國紛紛給出自己的技術(shù)方案。這些方案基本分為兩種：以荷蘭、美國為代表的大數(shù)量、小天線（Large Number Small Diameter）方案，又稱LNSD方案；以中國、加拿大為代表的大天線、小數(shù)量（Large Diameter Small Number）方案，又稱LDSN方案。中國在1994年就提出自己的實現(xiàn)方案，叫KARST（Kilometer-square Area Radio Synthesis Telescope）。KARST方案計劃利用中國云貴高原上天然的喀斯特洼地，建設(shè)30個有效口徑200米的大望遠鏡，組成一個射電綜合孔徑陣列。是的，大家沒看錯，天文學(xué)家們曾經(jīng)有段時間想在貴州建30個縮小版的FAST望遠鏡！30個??！

中國要建的這個望遠鏡這么大，在世界上都沒有先例，工程上是否真的可以實現(xiàn)？這個問題需要天文學(xué)家來解答。1994年，天文學(xué)家提出KARST方案時就指出了利用貴州天然喀斯特洼地群的想法；1995年，西安電子科技大學(xué)提出饋源索驅(qū)動概念，進一步增強了KARST的可行性；1996年，為了增強KARST方案在國際的競爭力，北京天文臺提出建設(shè)KARST先導(dǎo)單元的想法，即先造出一個大天線出來證明我們的想法是可行的；1997年，北京天文臺（現(xiàn)國家天文臺總部）提出主動反射面概念，至此FAST概念完全建立。1998年，F(xiàn)AST概念正式在國際上宣講并得到廣泛關(guān)注。2000年2月，在慕尼黑國際光電工程學(xué)會大會上，F(xiàn)AST被公認(rèn)為未來世界第一大單天線。

早期KARST先導(dǎo)單元FAST設(shè)計概念圖，當(dāng)時還是球面鏡加線饋源方案。圖中涵蓋了FAST三大自主創(chuàng)新：喀斯特洼地作臺址、索驅(qū)動概念（當(dāng)時是3塔支撐，現(xiàn)在為6塔）和主動反射面。（圖片來源：北京天文臺與中科院遙感所共同繪制）

KARST方案在不斷地推進著，30個大望遠鏡要放哪里？怎么放？都需要細(xì)致的研究。為了給這30個望遠鏡找到家，1994年8月，國家天文臺聯(lián)合中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所開始在貴州展開臺址考察和無線電環(huán)境監(jiān)測。1995年發(fā)表了國際上的第一篇SKA臺址無線電頻率干擾RFI(Radio Frequency Interference)監(jiān)測報告。1996年初，在英國曼徹斯特召開的高靈敏度射電天文大會上，中國發(fā)表了約400個洼地臺址的數(shù)據(jù)庫及對部分臺址RFI監(jiān)測結(jié)果。

早期的Y字形陣列排布方案

后期使用優(yōu)化算法得到的隨機型陣列排布方案(Su Yan et al. 2004)。其中小點代表候選臺址，圓圈指示出篩選出來的臺址。

對于怎么安放這30個望遠鏡，1993年，大家初步考慮使用Y字形陣列。陣列中心是由多個望遠鏡組成的直徑50千米的圓形致密中心陣，再由這個中心陣往外延伸出三個臂，每個臂排布兩個望遠鏡，整個陣列直徑達到300千米。這樣的陣列形式比較簡單。后來，科學(xué)家們覺得應(yīng)該結(jié)合實際臺址情況優(yōu)化出一個更好的排列形式，于是設(shè)計了一種“篩選法”，通過設(shè)置一些限制條件，用計算機在288個候選臺址中篩選出了30個臺址，作為一種優(yōu)化的陣列排布方案。

FAST概念圖位于設(shè)計方案排行榜榜首

中國的射電天文學(xué)家們?yōu)榱税延H兒子KARST給推銷出去，可謂是費盡苦心啊！而努力總是有回報的。FAST作為KARST的先導(dǎo)單元很快在1999年便得到中國科學(xué)院的支持，從概念預(yù)研轉(zhuǎn)入實驗研究階段。第二年，在曼徹斯特國際天文聯(lián)合大會上，包括中國在內(nèi)的10個國家宣布成立國際SKA執(zhí)行委員會，全面推進SKA國際合作。當(dāng)時報紙上報道了這一喜訊，并同時公布了當(dāng)時5種技術(shù)方案的排行榜。在這一排行榜中，中國KARST方案名列榜首。

2004年，中國順利入選為4個SKA臺址候選國之一，開展了SKA臺址選址報告的準(zhǔn)備，以及對候選臺址核心區(qū)、中央?yún)^(qū)和邊遠區(qū)的無線電環(huán)境監(jiān)測。2005年，國際SKA電波環(huán)境監(jiān)測小組對候選臺址國分別開展了6-8周校準(zhǔn)監(jiān)測。但到了2006年，澳大利亞-新西蘭方案和南非-非洲8國方案被優(yōu)選出來，中國KARST方案無緣繼續(xù)參與國際競爭。

中國KARST方案之所以落選，主要是因為SKA提出以來10多年間，科學(xué)技術(shù)飛快發(fā)展，SKA的科學(xué)與技術(shù)目標(biāo)也隨著不斷升級，其觀測頻率上限從最初的1.4吉赫茲提高到了現(xiàn)在的20吉赫茲以上，最遠的兩個望遠鏡之間的距離從300千米提升到3000千米。對于中國KARST方案來說，貴州當(dāng)?shù)囟嘤甑奶鞖鉅顩r難以支持10吉赫茲以上的觀測，且貴州的喀斯特地貌范圍無法承載延伸3000千米遠的陣列，無奈只能作罷。

不過中國的射電天文學(xué)家們并沒有就此氣餒，KARST沒了，F(xiàn)AST還在呢！這不？FAST這個龐然大物已然矗立在貴州的大山之中了。與此同時，中國人也沒停止參與國際共建SKA的步伐。

SKA澳大利亞-新西蘭臺址（上）與南非-非洲8國臺址（下）。圖中每個紅點都表示一個由多臺望遠鏡組成的小陣列，所有紅點共同組成SKA陣列。（圖片來源：上圖http:// theconversation.com/australias-bid-forthe-square-kilometre-array-an-insidersperspective-4891 ；下圖http://www. digitaljournal.com/image/84909 ）

國際共建的SKA涉及多項關(guān)鍵技術(shù)，現(xiàn)有的技術(shù)不能滿足需求，需要集合世界上眾多優(yōu)秀科學(xué)家和工程師來共同努力進行攻關(guān)。就拿天線技術(shù)來說，SKA需要有2500面口徑15米的天線，分布在大約3000千米范圍的荒漠上。SKA的高性能要依靠單個天線的性能做保證。當(dāng)然，除了性能要求高之外，還要考慮成本問題。天線數(shù)量如此龐大，制造、裝配、運輸?shù)鹊谋憬菪院偷统杀臼菙[在工程師面前的一個難題，而且可靠性要求很高，想象一下，在廣闊無垠的荒漠上開著二戰(zhàn)時代的柴油吉普車（柴油車能避免對正在觀測中的望遠鏡產(chǎn)生干擾）到達壞掉的天線去維修是多么困難啊。

FAST工程全貌（拍攝于2016年7月3日）（圖片來源：FAST工程官網(wǎng) http://fast.bao. ac.cn/upfile/photo/FAST-pic2.html#p=0 ）

星空下的FAST（圖片來源：彭冠辰攝于2016年8月29日）

從2008年開始，國家天文臺聯(lián)合中國電子科技集團第54研究所，對SKA天線的概念進行設(shè)計，并在2011年加拿大召開的SKA天線概念設(shè)計評審會上，提出了兩種天線方案DVAC-1和DVAC-2。DVAC是英文Dish Verification Antenna China的縮寫，中文意思即“中國碟形驗證天線”。DVAC-1是現(xiàn)在SKA天線樣機的第一版，2013年從概念設(shè)計進入詳細(xì)設(shè)計，通過各項技術(shù)攻關(guān)，于2014年8月份完成整體安裝，這便是中國版的SKA碟形驗證天線（如今改名為DVA-C）。DVAC-2是中國設(shè)計制造的另一款望遠鏡，成功應(yīng)用于澳大利亞SKA的先導(dǎo)項目——ASKAP望遠鏡陣列上。澳大利亞的ASKAP項目是一個由36面天線組成的射電望遠鏡陣列，與一般的只在方位和俯仰兩個方向轉(zhuǎn)動的天線不同，ASKAP還有第三個方向的轉(zhuǎn)動，即天線面本身的轉(zhuǎn)動，用來消除天體圖像在望遠鏡焦平面上的旋轉(zhuǎn)。這種形式的天線在進行偏振觀測或使用相位陣饋源進行觀測的時候會有一定的優(yōu)勢。而組成陣列的全部天線，都是由中國電科54所制造安裝完成的。

澳大利亞ASKAP望遠鏡陣列，使用的真是中國制造的類DVAC-2天線。（圖片來源：https://www.skatelescope.org/australia/）

SKA總干事菲爾?戴阿孟德（Phil Diamond）教授參觀DVA-C的時候，由衷的感嘆“中國速度”。DVA-C天線主面板是從拋物面上截取18米乘15米大小的一塊，構(gòu)成一面“大鍋”，這種奇怪的形狀并不是隨意截取的，而是經(jīng)過專業(yè)的光路設(shè)計和優(yōu)化的。這面大鍋不是傳統(tǒng)的金屬面板拼接而成，而是一整塊碳纖維面板，采用整體成型工藝制造。碳纖維具有重量輕、剛度大的特點；而且采用整體面板代替拼接，可以減少安裝和調(diào)試時間。這也是目前世界上最大的單塊碳纖維面板。為了把這么大的面板與模具分開，需要把廠房的屋頂拆掉，用吊車去吊裝，最后安裝到天線座架上。除了DVA-C之外，國際上還有另外兩個樣機，加拿大的DVA-1和南非的MeerKAT，構(gòu)成SKA天線的3大候選樣機。目前DVA-C望遠鏡已進行了多次脈沖星觀測測試，并將開始嘗試進行科學(xué)觀測。

位于石家莊的DVA-C天線（左）與使用該天線觀測到的脈沖星B0329+54積分輪廓（右）

雖然中國和加拿大都制造出了整體成型的碳纖維面板，而且精度很高，比如DVA-C 能達到0.8毫米的面板精度，但是由于SKA要工作到20吉赫茲以上，對面板精度提出更高的要求，要達到0.5毫米。此外，碳纖維面板的壽命和變形情況能不能滿足30年的需求尚不清楚，且考慮到在中國制造完成后運輸?shù)侥戏堑睦щy性等，最終這種整體成型的碳纖維面板方案被放棄。現(xiàn)在，被國際評審委員會推薦為SKA的最終樣機唯一研發(fā)方案的，是由中國和德國聯(lián)合提出的空間網(wǎng)架-分塊鋁合金面板天線方案——SKA-P天線。

中國天文學(xué)家遠不止參與碟形天線建設(shè)這一項。從2012年開始到2018年是SKA的建設(shè)準(zhǔn)備階段，中國有20位天文學(xué)家?guī)缀鯀⑴c了SKA 13個科學(xué)目標(biāo)工作組的全部研究。2015年，SKA新版科學(xué)白皮書出版，其中有19%的章節(jié)是中國學(xué)者合作參與編寫的。SKA關(guān)鍵技術(shù)試驗研究也是建設(shè)準(zhǔn)備階段的重要任務(wù)，國際上將SKA研發(fā)任務(wù)劃分為10個工作包，并成立相應(yīng)的研發(fā)聯(lián)盟，中國參與了其中的6個，其中除了前面提到的碟形天線之外，還有寬帶單波束饋源、低頻孔徑陣列、中頻孔徑陣列、信號與數(shù)據(jù)傳輸以及科學(xué)數(shù)據(jù)處理。

23年風(fēng)雨兼程，造就了如今世界最大的單口徑望遠鏡FAST；23年的開拓創(chuàng)新，才有中國SKA團隊在科學(xué)與工程上取得的系列成就。而這一切，都起源于23年前，大家共同萌發(fā)出的一個夢想——我們想好好看一眼頭上的這片星空。

致謝

感謝國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目（973計劃）(編號：2013CB837900)支持

（責(zé)任編輯 張長喜）

位于南非的SKA反射面天線SKA_Mid 陣列示意圖。該陣列將由中國主導(dǎo)設(shè)計的SKA-P天線組成。（圖片來源：https:// www.skatelescope.org/ multimedia/image/skamid-africa-close-upartists-impression/ ）

構(gòu)成SKA的另外一種陣列形式，低頻孔徑陣列，將建在澳大利亞，覆蓋頻率50到350兆赫茲，由130萬個類對數(shù)周期天線單元組成5000個直徑約35米的子陣。（圖片來源：https:// www.skatelescope. org/multimedia/image/ ska-low-frequencyaperture-array-closeup-australia/）