建設(shè)中的平方公里射電望遠(yuǎn)鏡陣

郭紅鋒

大型射電望遠(yuǎn)鏡陣概念的提出

平方公里射電陣的概念醞釀于20世紀(jì)90年代初。1993年，日本京都舉行了國際無線電科學(xué)聯(lián)合會大會，參加了射電天文學(xué)委員會的中國、澳大利亞、加拿大、法國、德國、印度、荷蘭、俄羅斯、英國、美國等10國的天文學(xué)家代表出席了大會。時值世紀(jì)之交，與會代表分析了射電望遠(yuǎn)鏡未來的發(fā)展，提出了建造下一代大射電望遠(yuǎn)鏡（Large Radio Telescope，簡稱LT）的倡議。

LT當(dāng)時還只是一個概念，科學(xué)家們想要建造一個總接收面積相當(dāng)于1平方公里的大型射電望遠(yuǎn)鏡。這樣大的接收面積，已經(jīng)不可能做成一整塊鏡面了，應(yīng)該由多面小射電望遠(yuǎn)鏡組成陣列。但究竟由多少面、多大口徑的小望遠(yuǎn)鏡組成什么樣的陣列，在哪里布局陣列等一系列問題都有待科學(xué)家們在此后數(shù)年里共同合作和努力推進。

科學(xué)家們希望用這樣一個既有大口徑又有大面積的射電望遠(yuǎn)鏡陣列，觀測遙遠(yuǎn)的宇宙深處，能夠獲得宇宙更早期，甚至初始時期的信息，從而弄清楚現(xiàn)今的宇宙是怎樣從初始狀態(tài)演化過來的。

中國是SKA組織的創(chuàng)始國

中國科學(xué)家一直在LT的國際合作和概念推進過程中發(fā)揮著積極作用，并在此過程中逐漸發(fā)展出中國的先導(dǎo)項目——500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST，又稱中國天眼）。與此同時，國際上各國天文學(xué)家也在積極推進LT的概念，并逐漸發(fā)展為平方公里陣（Square Kilometre Array，簡稱SKA）的概念，1999年正式將LT更名為SKA。

2000年8月10日，在英國曼徹斯特舉行的國際天文聯(lián)盟會議上，11國（澳大利亞、加拿大、中國、德國、印度、意大利、荷蘭、波蘭、瑞典、英國和美國）代表簽署了建立國際平方公里陣列指導(dǎo)委員會（ISSC）的諒解備忘錄，2011年SKA發(fā)展成為有多個國家參與的國際天文臺公約組織（總部設(shè)在英國，網(wǎng)址為https：//www.skatelescope.org/ ）。中國是SKA組織的創(chuàng)始國、堅定支持者和積極推動者之一。中國的FAST與SKA形成了很好的互補與承啟關(guān)系，中國國家天文臺的團隊正代表中國積極參加SKA項目的國際合作（SKA網(wǎng)址為https：//china.skatelescope.org/）。

SKA的目標(biāo)與進展

SKA將成為遠(yuǎn)超過其他望遠(yuǎn)鏡有史以來建造的最大射電望遠(yuǎn)鏡。為了達成此目標(biāo)，SK A將使用數(shù)千個反射面天線（高頻率）和更多的低頻和中頻孔徑陣列望遠(yuǎn)鏡。

SK A將分別建于南非（含南非8個國家）、澳大利亞西澳州的無線電寧靜區(qū)域，分布在2 0 0 0 ～3 0 0 0公里的范圍，頻率覆蓋5 0 M H z -20GHz（未來可能升級到20GHz以上）。

S K A 將分階段進行建設(shè)。S K A 第一階段（SKA1）將建設(shè)約10%的SKA，已于2021年7月1日正式開工建設(shè)（預(yù)計2028年建成）。第二階段（SK A 2）建設(shè)其余部分的SK A。項目全部建成預(yù)計在2030年以后。

SK A是人類迄今為止計劃建造的最宏偉的天文觀測設(shè)備，同時也是一部超越國界的全球大科學(xué)裝置，匯集了人類在天文學(xué)、無線電、信息、通信、計算機、機械制造等諸多領(lǐng)域的最新科技成果，蘊涵多項重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)，會對自然科學(xué)和人類文明作出劃時代的重要貢獻。

建成后的SK A承擔(dān)著重要的科學(xué)觀測使命，它將致力于回答宇宙的一些基本問題，比如宇宙起源、宇宙學(xué)與星系演化、行星如何形成、宇宙磁場的起源和演化、引力波如何拉伸宇宙的結(jié)構(gòu)、揭開暗能量的謎團，以及探測外星生命，等等。

最后，告訴大家一些有關(guān)SKA的令人驚訝的事實：

1） SKA在一天內(nèi)收集到的數(shù)據(jù)可以在ipod上播放將近兩百萬年;

2） SKA非常敏感，能夠探測到幾十光年外行星上的機場雷達;

3） SKA中央計算機的處理能力約為1億臺PC;

4） SKA天線將產(chǎn)生10倍的全球互聯(lián)網(wǎng)流量;

5） SKA使用的光纖足以環(huán)繞地球兩周;

6） SKA中的孔徑合成陣列可以產(chǎn)生全球互聯(lián)網(wǎng)流量的100多倍。