在南非和澳大利亞人煙稀少、廣袤無(wú)垠的無(wú)線(xiàn)電寧靜區，一項國際大科學(xué)工程——“平方公里陣列”射電望遠鏡（SKA）正在建設中。作為由全球多國合資建造和運行的新一代射電望遠鏡，SKA建成后將成為地球上最大、最先進(jìn)的科學(xué)設施之一。
SKA是一種射電干涉陣列式望遠鏡，其頻率范圍跨越50兆赫至20吉赫，等效接收面積達平方公里級。它采用雙臺址方案，中頻陣以南非為核心、最終擴展至非洲南部8個(gè)國家，由分布在3000公里范圍內的2000面15米口徑的碟型反射面天線(xiàn)組成；低頻陣位于澳大利亞西部，由130萬(wàn)個(gè)天線(xiàn)單元組成。兩套射電干涉陣在不同頻段工作，完全獨立運行。SKA將分階段進(jìn)行建設：第一期將建設近10%的望遠鏡單元，已正式開(kāi)工，預計2029—2030年建成；其余部分將在第二期建設。
大視場(chǎng)、高靈敏度、高分辨率、高動(dòng)態(tài)范圍、寬頻段……SKA集諸多優(yōu)勢技術(shù)于一身，是革命性的新一代天文望遠鏡。平方公里級的等效接收面積，意味著(zhù)史無(wú)前例的超高靈敏度和科學(xué)發(fā)現能力，可以發(fā)現大量過(guò)去無(wú)法被探測到的極微弱信號。比如，它可以使銀河系內的3萬(wàn)顆脈沖星基本上全部“現形”，而目前人類(lèi)只發(fā)現了其中的1/10；即使在遠離地球50光年的星球上使用機場(chǎng)雷達，也逃不過(guò)SKA的“火眼金睛”。3000公里的最大基線(xiàn)長(cháng)度，意味著(zhù)其具備毫角秒級的超高空間分辨本領(lǐng)，遠超哈勃空間望遠鏡。它將使曾經(jīng)“模糊不清”的天體以前所未有的清晰度展現在人類(lèi)面前。當這一“世界巨眼”掃視宇宙時(shí)，被它“一網(wǎng)打盡”的宇宙信息量大到超乎想象，其每秒數據量甚至高于目前全球互聯(lián)網(wǎng)數據流量總和。
在科學(xué)層面，SKA肩負著(zhù)人類(lèi)認識宇宙和基本物理規律的一些重大科學(xué)探索任務(wù)。例如，嘗試揭示宇宙第一代發(fā)光天體的誕生、揭開(kāi)“宇宙黑暗時(shí)代”的科學(xué)謎團；以宇宙中最豐富的元素——氫為信使，繪制最大的宇宙三維結構圖；探求暗能量、暗物質(zhì)的基本性質(zhì)；發(fā)現銀河系中幾乎所有的脈沖星，并用于精確檢驗引力理論；通過(guò)對大量毫秒級脈沖星的精準測時(shí)，直接探測來(lái)自星系中心的超大質(zhì)量黑洞所產(chǎn)生的引力波；探求宇宙磁場(chǎng)的起源；探索宇宙生命的起源、尋找地外文明以及探索其他未知領(lǐng)域等。
SKA是中國首個(gè)全程參與并扮演重要角色的國際大科學(xué)工程，從項目醞釀發(fā)起到國際組織創(chuàng )建及規則制定，再到項目管理與建設等。1993年，包括中國在內的10國共同發(fā)起了建造SKA的倡議。2011年，中國等7國共同創(chuàng )建了國際SKA組織，該組織于2021年過(guò)渡為政府間國際組織——SKA天文臺。目前，SKA參加國包括正式成員南非、澳大利亞、英國、中國、意大利、荷蘭、瑞士、西班牙、葡萄牙和加拿大，以及觀(guān)察員印度、法國、德國、瑞典、日本和韓國。中國擔任SKA反射面天線(xiàn)工作包聯(lián)盟主席國，這是中國首次在國際大科學(xué)工程中領(lǐng)銜工作包聯(lián)盟。
自1994年起，以國家天文臺南仁東研究員為代表的一批中國射電天文學(xué)家，逐步形成了利用中國貴州的喀斯特地貌，建造30面200米口徑的巨型反射面天線(xiàn)組成平方公里陣的“中國SKA方案”。2016年9月，以“中國SKA方案”為基礎發(fā)展出的“中國天眼”——500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）在貴州竣工。
FAST是迄今為止世界最大單口徑射電望遠鏡，也是北半球最靈敏的設備，可與位于南半球的SKA形成互補。截至目前，FAST已發(fā)現900余顆新脈沖星，在快速射電暴起源、引力波探測等領(lǐng)域產(chǎn)出一系列世界級成果。
近期，FAST又發(fā)現了6個(gè)距離地球約50億光年的中性氫星系，這是人類(lèi)迄今直接探測到的最遠的一批中性氫星系。中性氫廣泛存在于宇宙的不同時(shí)期，是不同尺度物質(zhì)分布的最佳示蹤物之一。對中性氫進(jìn)行探測研究，對于理解暗物質(zhì)、暗能量屬性，解讀星系形成和演化過(guò)程等具有重要意義。此前，FAST已發(fā)現了4萬(wàn)多個(gè)中性氫星系樣本。FAST正不斷為世界天文貢獻中國智慧、為全球工程界提供中國技術(shù)。
仰望星空，步履不停。在可預見(jiàn)的未來(lái)，“中國天眼”“世界巨眼”將為國際天文界持續探索宇宙帶來(lái)更多新視角，為引領(lǐng)人類(lèi)突破認知新領(lǐng)域作出更大貢獻。
（作者：秦波，中國科學(xué)院國家天文臺研究員）
（原載于《人民日報》 2024-05-13 15版）
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