世界最大射电望远镜阵列将揭示众多宇宙谜团

□ 杨孝文

来自20个国家的科学家正在制定一项规模庞大的计划，建造一个巨型射电望远镜阵列，占地面积相当于一个大陆，能够揭示行星和星系的诞生和暗能量的谜团，同时也可用于搜寻地外文明发出的信号。

2030年底投入使用

这个巨型射电望远镜阵列名为“平方千米阵列”（以下简称SKA），“平方千米”这个名字就是为了突出其所覆盖面积之大。SKA并不是一个直径达到1000米的射电碟形天线，而是由数千个较小的碟形天线构成。国际SKA项目负责人理查德·史利茨(Richard Schilizzi)表示：“我们将采用较小的天线，直径大约15米。理由很简单，这样做的成本更低，尤其当你考虑到你需要建造3000台这种天线时，就要更加注重价格问题了。”

之所以建造一个如此巨大的阵列的原因在于：无线电波的波长远远超过可见光。一架光学望远镜的观测波长可达到10毫米，将其“放大”到射电天文学研究需要的厘米波长遭遇挑战。座落于英国曼彻斯的乔德莱尔·班克射电天文的e-Merlin望远镜阵列负责人西蒙·加林顿指出：“为了获得与先进光学望远镜同样的观测细节，你需要镜面直径10万米的望远镜。很显然，你不可能建造一架口径10万米的望远镜，但你可以建造一个望远镜网络，通过将它们连接在一起达到同样的效果。”

SKA的灵敏度将达到目前地球上任何射电望远镜阵列的50倍，解析度则将是后者的100倍。迄今为止，来自20个国家的参与者已经投入15亿欧元（约合20亿美元）。这一项目预计于2024年前后完工，但真正投入使用还要等到2030年底。

南非的SKA阵列从加纳延伸到肯尼亚

这是建成后SKA阵列核心区域天线阵的效果图

南非和澳大利亚成首选

SKA阵列建造地点的争夺异常激烈，最被人看好的提议有两个，一个是澳大利亚西部，另一个是南非的北开普省。SKA项目南非负责人伯尼·法纳罗夫表示：“最为重要的是找到一个受无线电传输干扰极小的地区。如果建造地附近存在任何强广播信号，那就像是在太阳升起时观察天空中的星星一样。你不希望被手机信号覆盖，也不希望周围有很多人和汽车开来开去。我们在进行最初的测试中发现，就算是坐到一个塑料椅上这样微不足道的事情也会产生干扰。”

建成之后，整个阵列中大约50%的望远镜天线将位于中央的5千米半径内，另外的25%将外延至20万米范围，最后的25%将延伸超过3000千米。根据南非的提议，碟形天线将建在纳米比亚、博茨瓦纳、莫桑比克、马达加斯加、赞比亚、毛里求斯、肯尼亚和加纳。

根据澳大利亚的提议，这个阵列将最远延伸至新西兰。竞标负责人布莱恩·博伊勒表示：“澳大利亚建议的核心地点默奇森射电天文台座落于地球上一个人口最为稀少的地区。选择澳大利亚和新西兰可以让望远镜阵列覆盖5500千米的区域。”

光缆长度可绕地球两周

SKA阵列的天线包括传统曲面碟形天线，能够将无线电波聚集，其他天线则为平板式天线。这个阵列将以一个相控天线阵的形式投入工作，由于采用先进的电子设备，将时间间隔以及到达阵列不同区域的相同无线电信号等因素考虑在内，SKA阵列无需移动便可立即定向。

SKA项目筹备阶段英国负责人、乔德莱尔·班克天文台的克里斯·申顿表示，这允许望远镜一次观测不同方向。“我们可以按照自己的需要观测很多方向的无线电波，这是一种优势，可以同时进行多项实验,举个例子，我们可以在进行大范围巡天观测的同时对其中的某个天区进行详细的观测。”

然而，构建这样一个网络绝非易事。信号同步精度必须达到十亿分之一秒，所需光缆数量也是一个惊人数字，连接在一起的长度可绕地球两周。完成连接工作之后，电脑还要对每一对碟形天线进行比较。每架望远镜一秒钟可产生大约20GB数据，足以在短短几分钟内装满存储量最大的电脑硬盘。史利茨说：“我们需要拥有巨大的数据处理能力，根据我们的估计，只有世界上最强大的超级计算机才能胜任这项工作。”

建成后SKA的范围

解答一系列科学疑问

SKA阵列将负责解答一系列科学疑问，其中包括行星如何形成，引力波如何拉伸宇宙的结构以及首批形成的星系如何演化。牛津大学的史蒂夫·劳林斯希望SKA阵列能够揭开暗能量的谜团。他说：“平方千米阵列就像是一台时间机器。如果能够看的更远，你所观察到的宇宙就更为年轻，进而了解宇宙膨胀过程。暗能量似乎加速宇宙膨胀，我们将发现这种能量并有可能揭开其真面目。”

SKA项目科学家、美国航宇局喷气推进实验室的约瑟夫·拉齐奥希望SKA阵列能够上演一个更令人兴奋的发现，即发现地球以外世界的无线电信号。他说：“SKA阵列将拥有足够的灵敏度，能够发现人为产生的无线电信号，进而找到一些距离我们最近的恒星系统内的类地行星。也许在50年内，我们便可发现另一个在科技方面与我们相当接近的文明。”

现在最新的消息是：英国焦德雷尔班克射电天文台已经击败来自荷兰和德国的竞争对手，被选为SKA设备的全球总部，全面负责该项目的协调运行。今年，也将最终决定SKA阵列的最终选址地点。