出品 | 網(wǎng)易新聞
作者 | 浪潮擊水，軍事&法學(xué)愛好者
數(shù)千年來，人類探索宇宙的腳步從未停止過，但是在伽利略改進望遠鏡使其可以放大幾十倍之前，人類甚至都沒有細致觀察過距離我們最近的月球。可以說，在天文望遠鏡出現(xiàn)之后，人類才有了開荒的工具，才能夠把視野投向更加“蠻荒”的宇宙。
折射式望遠鏡、反射式望遠鏡、折返式望遠鏡，對于可見光以外的波段，人類發(fā)明了射電望遠鏡，當(dāng)單體射電望遠鏡的發(fā)展逐步受限于制造水平的進步速度時，人類又發(fā)明了綜合孔徑射電望遠鏡……
?。ㄖ袊圃斓氖澜缟献畲蟮那蛎嫔潆娡h鏡——FAST，500米口徑）
但是，面對跨度動輒百萬光年的距離，不論是目前最大的單體射電望遠鏡還是已有的綜合孔徑射電望遠鏡，規(guī)模有限分辨率更是有限，而將全球現(xiàn)有分散的射電望遠鏡組成通訊網(wǎng)絡(luò)則無法記錄統(tǒng)一的信號和時間，在分析數(shù)據(jù)前還需要進一步轉(zhuǎn)化，加之現(xiàn)今大部分射電望遠鏡還依靠機械式掃描跟蹤目標(biāo)，全球同步跟蹤目標(biāo)的效率就更低了。
因此，把望遠鏡的傳統(tǒng)干涉技術(shù)與線控雷達技術(shù)結(jié)合在一起，并建造一臺用超級計算機進行信息化控制的綜合孔徑射電望遠鏡就是人類下一階段的建設(shè)目標(biāo)。
現(xiàn)在，這個目標(biāo)已經(jīng)開始實現(xiàn)，平方公里射電望遠鏡（SKA）計劃的第一階段建設(shè)已經(jīng)于2018年正式開始，2019年中國作為SKA項目的創(chuàng)始國之一簽署了“羅馬公約”，標(biāo)志著平方公里陣列天文臺正式成立。
（一）人類歷史上最大的科學(xué)工程
平方公里陣列望遠鏡（Square kilometer Array）是國際天文界計劃建造的世界最大綜合孔徑射電望遠鏡，其接收面積達到一平方公里，是一個由三千多個反射面天線和一百萬個低頻天線組成的、覆蓋跨度3000公里的巨大綜合孔徑陣列。
?。ㄖ睆绞迕椎母哳l反射面天線由于性價比高，是SKA項目中主要使用的天線之一）
綜合孔徑射電望遠鏡的空間分辨率取決于觀測所用的基線長度，而靈敏度則取決于各個天線的總接收面積。SKA項目組成的孔徑陣列無可匹敵的基線長度和天線總數(shù)目，使得其在觀測范圍方面很大程度上將超過哈勃太空望遠鏡的圖像分辨率質(zhì)量，在靈敏度方面則是目前人類最靈敏的射電望遠鏡陣列的五十倍，分析數(shù)據(jù)的能力是后者的一百倍。
?。ǜ呒s兩米的低頻孔徑天線，是SKA項目另一種中主要使用的天線）
在地球上具有完美射電靜默背景并可以布置大面積天線陣列的地區(qū)中，SKA計劃選址在南非的沙漠地區(qū)（高頻和中頻陣列望遠鏡部分）和西澳大利亞地區(qū)（低頻孔徑望遠鏡部分）。天線陣列的排列方式并不均勻，以南非的天線陣列為例：占總數(shù)量百分之五十的碟形天線組成的致密陣列位于核心五公里的范圍內(nèi)，包括三種天線，分別為高頻波段天線、偶極天線和中頻波段天線，百分之二十五位于外部二百公里范圍內(nèi)，最后百分之二十五位于外部三千公里范圍內(nèi)。
?。ㄍㄟ^中央?yún)^(qū)域密集分布和以中心為圓心沿著懸臂向四周散布的陣列方式，右圖為中心區(qū)域的密度）
除了建造難度巨大，要控制這樣大規(guī)模的相控陣列網(wǎng)絡(luò)也絕非易事。為了保證數(shù)千個天線信號同步精度達到一百零八分之一秒以內(nèi)，相鄰天線之間全部用光纖連接，使用光纖總長度可以繞地球兩周。
為了能夠及時處理每個信號接收節(jié)點的信息，所有的天線都配備有對應(yīng)的智能接收機，實現(xiàn)天線接收到的信號數(shù)字化，各個站點將把這些數(shù)據(jù)壓縮成更易于管理的數(shù)據(jù)包，發(fā)送給中央處理器。
為此，兩臺世界上最快的超級計算機將被用于處理SKA共計130萬個天線數(shù)字化后產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量相當(dāng)于全球互聯(lián)網(wǎng)流量的一百倍，每年將儲存并分發(fā)600拍字節(jié)（1拍字節(jié)=1024TB）的數(shù)據(jù)，可以說是真正的大數(shù)據(jù)望遠鏡。
（世界上最快的超級計算機將被用于SKA數(shù)據(jù)處理）
SKA計劃的時間跨度也是空前的，1991年，包含中國在內(nèi)的十國天文學(xué)家提出了SKA初步設(shè)想，1993年國際工作組建立，2008年開始概念設(shè)計，2012年選址……在2018年正式開始SKA1階段的建設(shè)之前，這個人類歷史上最大的科學(xué)工程已經(jīng)使用了二十多年的時間進行設(shè)計和談判。
2018年開始的SKA第一階段（SKA1）將完成占總規(guī)模百分之十左右的望遠鏡，到2023年完成，內(nèi)容包括非洲反射面天線和澳大利亞的低頻天線，分階段完成可以提前進行科學(xué)觀測，2023年開始的SKA第二階段（SKA2）將補充設(shè)備，這種補充不僅是在數(shù)量上，在非洲區(qū)域還可能增加新型的中頻孔徑陣列，直到2030年整體建設(shè)完畢。
當(dāng)然，與SKA項目可能顛覆的、人類從發(fā)明望遠鏡至今400年形成的宇宙認知相比，四十年的準(zhǔn)備并不算太長。
（二）中國設(shè)計的天線，為SKA提供“眼睛”和“耳朵”
作為SKA項目創(chuàng)始國之一，中國參與了天線（DSH）、低頻孔徑陣列（LFAA）、中頻孔徑陣列（MFAA）、信號與數(shù)據(jù)傳輸（SaDT）、科學(xué)數(shù)據(jù)處理（SDP）和寬帶單像素饋源（WBSPF）等六個國際工作包聯(lián)盟的研發(fā)工作，特別是在項目的核心設(shè)備——收發(fā)天線的設(shè)計中起到了引領(lǐng)和主導(dǎo)作用。
2014年澳大利亞平方公里射電望遠鏡探路者（ASKA-P）望遠鏡36個天線全部由中國提供。
（36個ASKA-P天線之一）
2018年2月6日，中國主導(dǎo)研制的平方公里陣列射電望遠鏡天線探路者（SKA-P）的首臺新型設(shè)備成功啟動試運行，為項目提供了目前世界上最先進的天線解決方案。
?。ㄖ袊圃斓男滦蚐KA-P反射面天線）
射電望遠鏡的天線組成了整個系統(tǒng)的眼睛和耳朵，其原理同光學(xué)望遠鏡聚焦光線一樣，也將投射來的目標(biāo)天體的射電輻射，用鏡面反射之后同相到達公共焦點，然后接收機將這些信號加工、轉(zhuǎn)化成為可供記錄和顯示的形式，終端設(shè)備再把信號記錄下來。
在這個過程中，影響射電望遠鏡的基本指標(biāo)是：空間分辨率（區(qū)分兩個相互靠近天體的射電點源的能力）、靈敏度（探測微弱射電源的能力）和巡天速度（快速掃描觀測同一天區(qū)的能力）。
SKA-P反射面天線包含主副兩個反射面，主反射面總面積達到235平方米，由66塊邊長為三米的三角形面板拼接而成，在將這些曲率各不相同、精度為0.1毫米的面板拼接成半個籃球場大小的平面時，整個“鏡面”的精度達到了0.5毫米，副反射面更是將組裝的精度控制在0.2毫米以內(nèi)。同時，在實際使用中的不同溫度、風(fēng)載荷和俯仰工作范圍內(nèi)的重力影響下，也都能夠保證誤差控制在一個極小的范圍內(nèi)。
為了排除人造電磁破和地磁雜波的干擾，天線系統(tǒng)中還采用了高電磁屏蔽電線座架設(shè)計，定向的屏蔽掉電子設(shè)備輻射的電磁信號，讓這個靈敏的“耳朵”可以“屏息聆聽”宇宙的聲音。
SKA-P反射面天線摒棄了傳統(tǒng)的機械掃描方式，裝配有相位陣列饋源（PAF）。它的前輩——ASKA-P天線工作時，同時產(chǎn)生三十個獨立的波束覆蓋三十平方度（手臂伸直時小拇指的寬度約為一度）視界來給天線提供廣闊的視場（FoV），使望遠鏡能夠同時觀測較大范圍的宇宙空間，并在保持相當(dāng)高精度的前提下，加快了巡天速度。
2014年尚處于調(diào)試狀態(tài)的ASKA-P巡天觀測速度已經(jīng)是南半球任何同級別望遠鏡的兩倍，可以預(yù)見，SKA-P的速度還將大幅度提升。
射電天線的本質(zhì)是發(fā)揮“射電照相”的作用（在非可見光波長范圍內(nèi)），為了捕捉遙遠太空中的“光”，這個“照相機”的“曝光時間”非常長（ASKA-P系統(tǒng)拍攝的南天極區(qū)域耗時12小時），要保證最終建成的覆蓋數(shù)千公里范圍，幾千個天線的SKA系統(tǒng)穩(wěn)定“拍攝”，實現(xiàn)最大的接收效率，就要保證所有天線同時對準(zhǔn)一個目標(biāo)并持續(xù)同步跟蹤觀測。
SKA-P天線的控制系統(tǒng)采用的全數(shù)字高精度伺服驅(qū)動控制系統(tǒng)、高精度座架和天線結(jié)構(gòu)的保型設(shè)計，能夠為組成望遠鏡的天線設(shè)定特殊的旋轉(zhuǎn)軸，實現(xiàn)了千分之三高指向性精度。統(tǒng)一的旋轉(zhuǎn)軸有助于望遠鏡長時間工作，相當(dāng)于給照相機添加了手持穩(wěn)定器，幫助穩(wěn)定望遠鏡的朝向，提高圖像質(zhì)量。
?。╝lma射電望遠鏡發(fā)現(xiàn)有史以來最古老的合并星系）
除了天線設(shè)計制造領(lǐng)域，在科學(xué)數(shù)據(jù)處理方面，中國擁有“神威.太湖之光”等世界最強的超級計算機研發(fā)和使用經(jīng)驗，這些也為SKA提供硬件支持。另外在2005年，中國在新疆建設(shè)了包含一萬個天線的陣列21CMA，為SKA的數(shù)據(jù)分析工作做了大量準(zhǔn)備，做出了有中國自主知識產(chǎn)權(quán)的分析軟件，這對于未來SKA數(shù)據(jù)成像的工作有著重要的意義。
（三）更高靈敏度、更快搜尋速度，只為回答終極問題
就在剛剛過去的國慶長假期間，位于中國貴州的世界最大單口徑射電望遠鏡，被譽為“中國天眼”的五百米口徑球面射電望遠鏡（FAST）又新發(fā)現(xiàn)并認證了3顆脈沖星，至此，F(xiàn)AST已經(jīng)發(fā)現(xiàn)并認證的脈沖星數(shù)量達到近百顆。
而SKA有望克服包括FAST在內(nèi)的單口徑射電望遠鏡的缺陷和不足，同時獲得更高的靈敏度、更大的視場、更高的頻率、更高的空間分辨率、更高效的巡天能力，因此將不僅能用于發(fā)現(xiàn)脈沖星，驗證愛因斯坦的引力理論，還可以捕捉宇宙第一代天體誕生，探索星系的演化、宇宙大爆炸后暗能量的發(fā)展、宇宙磁場的作用，甚至探測微弱的外星信號并在太空中尋找能夠形成生命的復(fù)雜分子，乃至為人類尋找地球以外的宜居星球……
SKA是中國參與的重要的國際科學(xué)裝置，是體現(xiàn)“人類命運共同體”的科研實踐，中國不僅可以從中取得基礎(chǔ)科學(xué)前沿領(lǐng)域的突破性成果，同時也為解決人類問題貢獻了中國智慧和中國方案。
