外星文明探索利器！平方公里陣列：世界上最大的射電望遠鏡將如何徹底改變天文學

據外媒New Atlas報道，世界上最大的射電望遠鏡正在形成。平方公里陣列（SKA）將成為有史以來規模最大的射電望遠鏡，而隨著最近推出的第一個原型天線正樣樣機，科學家將開始尋找關於宇宙及其起源的一些最基本問題的答案。那麼SKA究竟是什麼，它會教給我們關於宇宙的什麼知識？

由於Karl Jansky在20世紀30年代從太空中發現了第一批無線電信號，因此天文學家利用一系列天體和物體發射的無線電波探測我們的宇宙。這些電波肉眼是不可見的，但是可以在距離數百萬和數十億光年遠的地方用射電望遠鏡獲取並轉換成圖像。射電天文學已經使我們得到了一些驚人的天文發現，如脈衝星，系外行星和宇宙微波背景（來自宇宙大爆炸遺留下來的殘餘信號）。

平方公里陣列將把這個提升到一個新的水平。平方公里陣列將在南非和西澳大利亞的平原上展開，它將結合多種不同的天線技術，速度將比當今最好的射電天文設施快數百倍。當它於2024年開始運行時，它將能夠探測到數十億光年遠處的宇宙源發出的無線電信號，並具有無與倫比的靈敏度。

在20個國家的國際合作中，平方公里陣列將改變全球天文觀測的規模和範圍。國際無線電科學聯盟（URSI）於1993年創建了大望遠鏡工作組，以建立創新的無線電觀測台的科學目標和規範。這最終導致了2011年SKA組織的成立。

這個名字反映了構建分散式陣列天線的初衷，其收集面積高達一平方公里，（儘管這個概念已經擴展，而且完整的SKA將比這更大）。目前平方公里陣列項目涉及500多名工程師，使其成為目前世界上最大的公共科學數據項目。

科學家最初的計劃是在南非的一個半荒漠地區Karoo為該項目尋找一個地點。其遠程位置確保人為產生的無線電波不會干擾從自然界收集的無線電波。而2012年科學家正式宣布第二個站點位於西澳大利亞的默奇森射電天文台。

在每個地點已經建造的前體設被用來改進未來十年的天線設計。南非的MeerKAT和HERA以及澳大利亞的Murchison Widefield Array （MWA）和CSIRO的澳大利亞SKA Pathfinder （ASKAP）開展適用於主陣列的科學研究，以及測試對一般功能至關重要的技術發展的SKA。世界各地的其他系統，例如加利福尼亞的艾倫望遠鏡陣列，英國的e-MERLIN和荷蘭的低頻陣列，將用於與SKA有關的技術和研究。

第一個原型

2018年2月6日，由中國主導研發的SKA首台天線樣機(SKA-P)在石家莊出廠，儘管主要的建造階段還需要幾年時間。直徑15米首台天線樣機是國際間三年合作的成果。零件來源於中國、德國和義大利，並由中國電子科技集團公司第五十四研究所（CETC54）進行總裝。CETC54領導這個原型的設計和生產過程，專註於精鍊重要組件，如主反射器，副反射器和底座。

「這是CETC54開發的一種成熟方法，」射電天文技術聯合實驗室（JLRAT）的王鋒表示。「應用於SKA天線，它使我們能夠實現和保持天線表面達到非常精確的水平以及所有面板的一致性。」

德國MT Mechatronics的工程師們一直忙於製造精密的硬體和電子設備來移動天線，而義大利SocietàAerospaziale Mediterranea（SAM）則研究了饋電分度器，這是一種電子機械部件，可以使各種接收器根據詳細觀察的需要進行調整並與天線的光學部件對準。

「反饋指數是這個天線的一個非常創新的部分，這是同類產品中的第一個，」SAM團隊協調員Renato Aurigemma表示。「我們有嚴格的要求，因為分度器需要以高精度移動，以亞毫米級的精度定位接收器，而且它還需要能夠承受重負載，例如單獨的Band 1接收器重量為165千克（364磅）。」

I期和II期

SKA的第一階段目前正通過世界各地幾個站點的預建階段實施，計劃於2019年進行首次天文觀測。

作為主要站點，南非將主持200個中頻範圍350 MHz-14 GHz的無線電天線。這些望遠鏡從三個螺旋臂輻射出來，跨越33平方公里（12.7平方英里）的區域，這些望遠鏡的解析度將提高四倍，靈敏度提高五倍，並且能夠比新墨西哥州的卡爾央斯基甚大陣快60倍速度工作。在主要站點進行的研究將集中在引力波和脈衝星的研究上，並通過觀察年輕恆星周圍宜居區的熱輻射，繼續在銀河系尋找地外生命。

在地球的另一端，西澳大利亞將成為超過500個台站的130,000個偶極子天線的家園，每個台站的低頻範圍為50 Mhz - 350 Mhz。這個孔徑陣列解析度提高25％，靈敏度提高8倍，並且與位於荷蘭的低頻陣列相比，其映射天空的速度將提升135倍 。研究人員使用無線電信號到達每個接收器之間的時間差精確計算每個望遠鏡之間的基線或距離。這個距離越長，解析度越高 。

國際射電天文研究中心的高級研究員Cathyrn Trott博士表示：

「SKA的主要特點是它在地面上的許多小空間上有非常多的收集區域，這意味著您可以在非常廣闊的區域收集光子，這使得它對來自宇宙的微弱信號非常敏感。例如，來自『再遊離時代』的信號非常弱，比我們目前在天空看到的任何其他信號弱得多......我們正在尋找的東西實際上深深地嵌入了宇宙中，所以我們需要遠離城市到一個原始的夜空環境。」

「與目前的望遠鏡相比，SKA將具有革命性意義，因為它的構建方式使我們能夠從我們收到的數據中提取更多信息，」Trott博士繼續說道。「計算以及快速處理數據的能力是另一項重大進步。」

二期工程將於2020年左右完工。科學家旨在是將望遠鏡的強度提高到一個很高的頻率範圍，在西澳建造數百萬個偶極子天線，並涉及波札那、迦納、肯亞、馬達加斯加、模里西斯、莫三比克、納米比亞和尚比亞等八個非洲夥伴國。

目前，僅這些望遠鏡的設計階段就花費了超過1.5億歐元，項目第一期的預計總成本預計為6.74億歐元。從2018年到2027年，總費用可能接近18億歐元。SKA的觀測預計壽命約為50年。

激勵後代

作為全球合作的重要基礎之一，對SKA建設和運營的投資將繼續加強各國機構之間的聯繫。由SKA開展的外展項目也將吸引公眾參與，並促進教育，目的是為年輕一代帶來科學發現的魅力。

「SKA的科學進步涉及許多不同的天文學科，」Trott博士表示。「因此，將科研團隊聚集在一個科學環境中，以了解重力的性質，我們宇宙的極端部分（如黑洞和中子星），並且能夠一直回到起點。這些科學目標非常宏大及雄心勃勃，需要最好的國際人才。

「關於天文學的令人難以置信的事情是，它捕捉到所有不同年齡階段的人的想像力，從外展的角度來看，了解我們在宇宙中的位置以及它在一段時間內的演變是SKA可以提供。在學校，大學和珀斯的Astrofest等其他活動中，我們的推廣團隊實際上可以激發人們對科學的興趣，這隻會在未來產生全球性的有利影響。」

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！