人類最大天文工程SKA：西澳南非組建百萬平方米陣法

由中國主導研發的平方公里陣列射電望遠鏡（SKA）首台反射面天線樣機（SKA-P），日前在河北石家莊出廠，將SKA這一人類歷史上最龐大的天文工程帶入公眾視線。

此前，「世界最大單口徑射電望遠鏡」FAST在貴州山坳中落成，猶如一隻巨大的「天眼」。而SKA將由數千面反射面天線組成陣列，編織成捕捉射電信號的天羅地網。接受面積合計1平方公里，即一百萬平方米。

科學家們可以將網上的點任意組合，模擬成無數個小射電望遠鏡、或者一個巨大的射電望遠鏡。

下面一組圖片，將帶你了解壯觀的SKA「陣法」。（本文所有圖片來自SKA官方網站。）

SKA選址在非洲和澳大利亞兩處。其中澳大利亞負責低頻部分：一期項目包含13萬個偶極天線，巡天時能捕捉到低至50兆赫的射電信號。

低頻孔徑陣列散布在澳大利亞默奇森地區的藝術想像圖。

而非洲的9個國家負責中高頻部分。分別為：南非、波札那、迦納、肯亞、馬達加斯加、模里西斯、莫三比克、納米比亞、尚比亞。

非洲的中頻SKA一期工程將建設大約200面天線，巡天時能捕捉350兆赫至14千兆赫的射電信號。圖為南非卡魯高原上的中頻孔徑陣列想像圖。

南非的沙漠地區具有完美的射電靜默背景。中頻SKA將觀測引力波、脈衝星，並搜尋銀河系中的生命跡象。對比現存相似頻段的最好望遠鏡央斯基甚大陣列（JVLA），它的解析度提高3倍，靈敏度提高4倍，巡天速度快60倍。

南非立法在北開普敦劃定了1250萬公頃的射電天文保護區。

澳大利大的低頻SKA和非洲的中頻SKA在正式建設前各自啟動了其先導項目。圖為默奇森寬場陣列（MWA），為其中一個先導望遠鏡，於2013年全面運行，但它不會集成在最終的SKA中。MWA將對整個南半球的天空進行充分觀察。其首要任務是尋找宇宙再電離時期包圍早期星系的星際氫氣。

另一先導項目澳大利亞SKA探路者(ASKAP)正處於緊張的技術研發階段，澳大利亞政府投入了1.11億澳元。ASKAP的相位陣饋源（PAF）能同時產生30個單獨波束覆蓋30平方度視場，極大地加快巡天速度。

ASKAP和SKA望遠鏡選址在默奇森地區，傳統上是Wajarri Yamatji人的領地，他們是地球上人口最少的民族之一。為此，雙方簽署了一個原住民土地使用協議。

非洲的先導項目為64面「貓鼬」（MeerKAT）天線，預計幾年後部署完成。圖為第一面「貓鼬」天線於2014年3月安裝完成。它們在第一階段作為獨立的裝置產生科學成果，未來則會與其他130面天線一起組成中頻SKA設施。

SKA四種望遠鏡的夜間藝術想像圖。低頻孔徑陣列（右下）和澳大利亞SKA探路者（右上）將在西澳落成，中頻孔徑陣列（左下）和「貓鼬」望遠鏡（左上）將在南非等若干非洲國家落成。

天線依照多個螺旋臂結構，從核心逐漸擴散開來，組成長基線干涉陣列。

中國是SKA的創始國和正式成員國之一。目前，在SKA對外發布的11個工作包中，中方參與了天線（DSH）、低頻孔徑陣列（LFAA）、中頻孔徑陣列（MFAA）、信號與數據傳輸（SaDT）、科學數據處理（SDP）、寬頻單像素饋源（WBSPF）等6個國際工作包聯盟的研發工作 。圖為石家莊出廠的第一面天線樣機。

中國電子科技集團公司第五十四研究所正在安裝首台天線樣機。

SKA將產生100倍互聯網流量的數據，需要的計算力約等於1億台個人電腦。圖為建設中的澳大利亞波希超算中心。

SKA科學目標（一）：繪製氫原子的宇宙分布，研究大爆炸後的暗能量演化。

SKA科學目標（二）：用脈衝星和黑洞的引力進行強磁場測試，驗證愛因斯坦廣義相對論。

SKA科學目標（三）：調查宇宙磁場的起源和演化。圖為被神秘的宇宙磁場影響的日冕。

SKA科學目標（四）：尋找生命的起源

SKA中頻和低頻設備與現有最好同類望遠鏡的性能對比。

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