国际最大望远镜究竟长啥样

据悉，经过数年准备，平方千米阵列望远镜（Square Kilometer Array Telescope，SKA）将于2021年1月1日发动制造。

SKA是世界地理学家计划制造的世界最大归纳孔径射电望远镜，那么，这个望远镜终究大在哪里？将瞄准哪些科学方针？我国在这个世界协作项目中又发挥了怎样的效果？咱们特别约请北京地理馆副馆长陈冬妮对此做详细解读。

问：平方千米阵列望远镜项目是怎样搞起来的？

陈冬妮：几年今后，这样的场景必定会在各种终端屏幕上“刷屏”：在人迹罕至、荒芜幽静的澳大利亚西部默奇森郡，广袤的大地上竖立着几百个样貌独特的金属支架，看起来与居民楼顶的电视接纳天线没什么不同；由此一路向西，跨过印度洋，进入视界的是相同人烟稀少、孤寂荒芜的南非卡鲁区域，布满的银光闪闪的碟形天线让人似乎来到科幻电影《超时空触摸》的拍照现场。

将于2021年开工制造的平方千米阵列望远镜（SKA）由坐落西澳大利亚的低频射电望远镜阵列和首要坐落南非的中高频射电望远镜阵列构成，是人类有史以来制造的规划最大射电望远镜，接纳总面积达一平方千米，整个阵列延伸超越3000千米。其科学方针包含根究引力实质、搜索地外文明等前沿问题。

从1993年初次提出制造设想，到1997年由来自六个国家的八家科研院所初次签定协作备忘录，再到2008年SKA项目办公室正式落户在英国曼彻斯特，直至2011年建立全面领导制造项目的非营利性SKA安排，来自十余个国家的百余家科研单位的上千位科学家、工程师、项目管理人员通力协作，总算将SKA带到开工制造的阶段。

作为SKA的创始成员国，我国将承当该项目总计13个大类别中的5项，特别是在工程技能、数据处理、时刻同步等方面承当重要作业。

艺术家制造的平方千米阵列（SKA）望远镜形象图

问：射电地理望远镜和一般望远镜的差异是什么？

陈冬妮：传统的地理望远镜其实只能接纳到天体宣布的可见光辐射，因而地理学家称它们为光学望远镜。悠远的天体在全电磁波段都会宣布辐射，除了可见光波段之外，有能量更高的紫外、X射线和伽马射线，能量更低的红外、微波以及射电辐射。地理学家用来接纳天体宣布的射电波段辐射的仪器就称为射电望远镜。运用射电望远镜从事天体射电辐射研讨的地理学分支便是射电地理学。

恰如科幻电影所展示的那样，开端的射电望远镜大都是抛物面结构，也便是所谓的碟状天线，与咱们了解的电视接纳天线或通讯卫星天线很像，仅仅个头要大得多。相较于光学望远镜，射电望远镜最大的优势是白天黑夜都可以观测，而不用比及夜幕降临。因为来自恒星、行星、星系等天体的射电辐射非常弱小，因而射电望远镜的口径有必要非常大，接纳设备有必要极端活络，才干收集到足够多的射电波段能量供地理学家研讨运用。射电望远镜的选址也要远离人口密布的城市，防止无线电通讯、电视、机动车、电台等全部人工电磁搅扰。

相较于历史悠久的光学地理观测而言，射电地理学是一门新式的分支学科，其开山祖师是美国的卡尔 央斯基。1932年，央斯基作为美国贝尔电话实验室的工程师，制造了一架直径30米的天线，用来区分可能对无线电通讯构成搅扰的信号源。丈量成果表明存在一个周期为23小时56分钟的重复搅扰源。经过与光学波段的星图比对，央斯基判定这个重复的搅扰源来自银河系，在人马座方向信号最强。卡尔的无心插柳创始了射电地理学。

因为射电波段频率掩盖非常广泛，射电波长从毫米（亚毫米）波到厘米波、米波以及更长的量级，不同方针天体宣布辐射的频率也不尽相同，因而射电望远镜的巨细、样貌千差万别。既有大众了解的单个碟形天线，也有姿态独特的铁丝网相同的米波射电望远镜阵列。

坐落西澳大利亚的SKA低频阵列示意图

问：所谓阵列望远镜又是啥意思？

陈冬妮：射电地理学在1946年迎来了革命性的打破，地理干与技能让射电地理观测不再局限于某个固定的台站。简单说，干与技能便是把很多台射电望远镜对同一方针观测的成果，或许经过光纤信号传输，或许经过原子钟同步，再经超级核算机后期处理，归纳每台射电望远镜的数据，模仿运用一台超大口径射电望远镜的观测成果，以到达超高的分辨率。

有了射电干与技能，射电地理学家就可以跨过大陆、大洋，将间隔悠远的射电望远镜连在一起，因为这样的射电望远镜口径不再是单天线望远镜的直径（现在最大的是我国贵州FAST望远镜，口径500米），而是衔接在一起构成望远镜阵列的望远镜中，最远端的两台望远镜间的间隔（在地面上的极值可所以地球直径）。再运用归纳孔径技能（将不同射电望远镜观测到的辐射信号按其相位进行叠加，相同相位的信号得到增强，而相位相反的信号则相互抵消），从而将射电望远镜的分辨率进步万倍。

坐落美国新墨西哥州的甚大望远镜阵（VLA）具有27台射电望远镜，可以组成371条不同的基线（即从被观测天体的视点看来，恣意两台射电望远镜间的间隔）。基线的数量越多，基线越长，在射电波段观测得到的图画分辨率就越高。印度的巨型米波射电望远镜，是已建成的有物理衔接的最大射电望远镜阵列。正在制造的欧洲低频阵列则由2万个小型天线组成，散布在48个不同的台址，其分辨率相当于一台口径几百千米的望远镜；大名鼎鼎的甚长基线（VLBI）干与阵列具有长达几千千米的基线，是射电干与以及归纳孔径技能使用的俊彦。

坐落美国的甚大阵列（VLA）射电望远镜，有27架碟形天线。

问：为什么说平方千米阵列望远镜是世界最大的望远镜？

陈冬妮：平方千米阵列望远镜，无论是基线的长度，仍是一次投入观测的望远镜数目，都远远优胜于现在已有的射电望远镜阵列；望远镜地点的西澳大利亚和南非都远离人口密布的城市，无线电搅扰可以降至最低。坐落西澳大利亚的SKA低频射电天线阵列将由散布在中心区域和三个旋臂的512个台站构成，观测的最长基线可达65千米，每一个台站都包含大约250个独立的偶极天线，意味着需求装置的天线总数将多达13万。

地处南非的中高频射电天线阵列也选用相似的制造形式，133个连续新建的台站将与南非已有的64架碟形射电望远镜一起组成大型射电望远镜阵列，最远基线长达150千米。摆放在三个旋臂上的200架望远镜掩盖33平方千米的区域。

SKA的终极方针则愈加雄伟，是上述望远镜阵列规划的十倍。其间澳大利亚部分的低频射电望远镜总数量将到达100万台，以南非为中心的中高频射电望远镜总量为2000台，将散布在博茨瓦纳、加纳、肯尼亚、马达加斯加、毛里求斯、莫桑比克、纳米比亚和赞比亚等八个非洲伙伴国境内。估计2025年左右，SKA就可以运转部分阵列开端地理科学勘探作业。

史诗般的SKA让地理学家趾高气扬，这从SKA的科学方针包括的规模就可见一斑：应战爱因斯坦的广义相对论（根究引力实质）、生命摇篮（搜索地外文明）、星系构成、世界学和暗能量、勘探世界曙光等等，全部是地理学最前沿最具吸引力的课题。SKA终究会给咱们咱们带来多少惊喜，让咱们拭目而待！

问：我国在这个世界协作项目中发挥了什么样的效果？

陈冬妮：我国作为SKA项目最早的建议国之一，自上世纪90年代起就积极参与SKA的筹建作业。跟着咱们国家科学技能水平腾跃式的开展，对SKA项目的“我国奉献”也日益凸显出来。

巨大的望远镜阵列在以超高分辨率和超高活络度极速完结巡天观测的一起，必将发生史无前例的超大数据量。2019年11月，由中科院上海地理台牵头的科研团队成功研制出SKA区域中心原型机。原型机的核算模块，选用了新式数据岛架构，将整个数据中心分红若干个小区域、或多个子数据中心，既可以独立履行数据处理使命，也可以精确的经过需求灵敏重组资源，满意SKA多使命并行处理的要求。

在SKA项目的进程中，“我国奉献”不只体现在以数据处理原型机为代表的“软实力”方面。我国电子科技集团公司第五十四研讨所于2018年2月完结了SKA反射面天线首台样机的规划制造，展示了SKA项目“我国奉献”的“硬实力”。因为需求制造的天线数量很多，SKA安排对天线价格、制造速度和运转保护的费用等都提出了近乎严苛的要求。我国提出的天线规划制造计划，正是凭着“物美价廉”的超高的性价比力压群芳，在2015年11月举行的天线规划的详细计划世界评选会上，被世界评定委员会共同引荐为SKA天线的仅有研制计划。

来历：北京日报客户端 作者 王鸿良 修改：徐慧瑶

流程修改：郭丹