『SKA』细说世界最大望远镜射电望远镜|天线|

艺术家绘制的平方千米阵列望远镜（SKA）印象图。

▲位于西澳大利亚的SKA低频阵列示意图。

陈冬妮

据悉，经过数年筹备，平方千米阵列望远镜（Square Kilometer ArrayTelescope ，简称SKA）将于2021年1月1日启动建设。

SKA是国际天文学家计划建造的世界最大综合孔径射电望远镜，接收总面积达一平方千米，整个阵列延伸超过3000千米。其科学目标包括探求引力本质、搜寻地外文明等前沿问题。

作为SKA的创始成员国，中国将承担该项目总计13个大类别中的5项，特别是在工程技术、数据处理、时间同步等方面承担重要工作。

几年以后，这样的场景一定会在各种终端屏幕上“刷屏”：在人迹罕至、荒凉寂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奇特的金属支架，看起来与居民楼顶的电视接收天线没什么差别；由此一路向西，跨越印度洋，进入视野的是同样人烟稀少、寂寞荒凉的南非卡鲁地区，密布的银光闪闪的碟形天线让人仿佛来到科幻电影《超时空接触》的拍摄现场。

将于2021年开工建设的平方千米阵列望远镜（SKA）由位于西澳大利亚的低频射电望远镜阵列和主要位于南非的中高频射电望远镜阵列构成，是人类有史以来建造的最大规模射电望远镜，因其最终的信号接收面积可达1平方千米而得名。

从1993年首次提出建设构想，到1997年由来自六个国家的八家科研院所首次签订合作备忘录，再到2008年SKA项目办公室正式落户在英国曼彻斯特，直至2011年成立全面领导建设项目的非营利性SKA组织，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、项目管理人员通力合作，终于将SKA带到开工建设的阶段。

无心插柳之举开创了射电天文学

传统的天文望远镜其实只能接收到天体发出的可见光辐射，因此天文学家称它们为光学望远镜。遥远的天体在全电磁波段都会发出辐射，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。天文学家用来接收天体发出的射电波段辐射的仪器就被称为射电望远镜。利用射电望远镜从事天体射电辐射研究的天文学分支就是射电天文学。

恰如科幻电影所展现的那样，最初的射电望远镜大都是抛物面结构，也就是所谓的碟状天线，与我们熟悉的电视接收天线或通信卫星天线很像，只是个头要大得多。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，而不必等到夜幕降临。由于来自恒星、行星、星系等天体的射电辐射非常微弱，因此射电望远镜的口径必须非常大，接收设备必须极其灵敏，才能收集到足够多的射电波段能量供天文学家研究使用。射电望远镜的选址也要远离人口密集的城市，避免无线电通讯、电视、机动车、电台等一切人造电磁干扰。

相较于历史悠久的光学天文观测而言，射电天文学是一门新兴的分支学科，其鼻祖是美国的卡尔·央斯基。 1932年，央斯基作为美国贝尔电话实验室的工程师，建造了一架直径30米的天线，用来辨别可能对无线电通信造成干扰的信号源。测量结果表明存在一个周期为23小时56分钟的重复干扰源。经过与光学波段的星图比对，央斯基断定这个重复的干扰源来自银河系，在人马座方向信号最强。卡尔的无心插柳开创了射电天文学。

由于射电波段频率覆盖十分宽泛，射电波长从毫米（亚毫米）波到厘米波、米波以及更长的量级，不同目标天体发出辐射的频率也不尽相同，因此射电望远镜的大小、样貌千差万别。既有公众熟悉的单个碟形天线，也有样子奇特的铁丝网一样的米波射电望远镜阵列。

把距离遥远的射电望远镜连在一起

射电天文学在1946年迎来了革命性的突破，干涉技术让射电天文观测不再局限于某个固定的台站。简单说，天文干涉技术就是把很多台射电望远镜对同一目标观测的结果，或者通过光纤信号传输，或者通过原子钟同步，再经超级计算机后期处理，综合每台射电望远镜的数据，模拟使用一台超大口径射电望远镜的观测结果，以达到超高的分辨率。