圖片均為SKA效果圖。由SKA組織提供

在澳大利亞和非洲，包括中國(guó)在內(nèi)的十多個(gè)國(guó)家的科技工作者正聯(lián)合起來(lái)，為建造下一代超級(jí)射電望遠(yuǎn)鏡（SKA）做準(zhǔn)備。這將是人類有史以來(lái)建造的最龐大的天文觀測(cè)設(shè)備，也是中國(guó)參加的第二大國(guó)際合作大科學(xué)工程。它匯集了人類在天文學(xué)、無(wú)線電、信息、通訊、計(jì)算機(jī)、機(jī)械制造等諸多領(lǐng)域的最新科技成果，將主導(dǎo)未來(lái)射電天文學(xué)50年的發(fā)展，有望催生多項(xiàng)重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)，對(duì)自然科學(xué)和人類文明作出劃時(shí)代的、革命性的貢獻(xiàn)。

人類有史以來(lái)最龐大的天文設(shè)備

下一代射電望遠(yuǎn)鏡——平方公里陣列射電望遠(yuǎn)鏡（Square Kilometre Array，SKA）是人類有史以來(lái)建造的最龐大的天文設(shè)備，將開(kāi)辟人類認(rèn)識(shí)宇宙的又一新紀(jì)元。SKA集傳統(tǒng)射電天文干涉技術(shù)和現(xiàn)代相控雷達(dá)技術(shù)為一體，體現(xiàn)諸多當(dāng)代科學(xué)技術(shù)的最新和最高成就。

SKA由大量小單元天線（2500面15米口徑的蝶形天線，250個(gè)直徑為60米的致密孔徑陣和130萬(wàn)只對(duì)數(shù)周期天線）組成，匯集形成巨大的接收面積從而獲得極高的靈敏度，將以千公里的基線獲得極高的空間分辨率，將以納秒級(jí)的采樣獲得精細(xì)的時(shí)間結(jié)構(gòu)，將以10Pb/s的速率產(chǎn)生超越目前全球互聯(lián)網(wǎng)總量的大數(shù)據(jù)，帶動(dòng)E級(jí)計(jì)算、通信和存儲(chǔ)的技術(shù)革新。大視場(chǎng)、多波束、高動(dòng)態(tài)、高分辨、大數(shù)據(jù)等一系列新概念催生的SKA，將顛覆射電天文學(xué)的傳統(tǒng)研究手段，給天文學(xué)研究帶來(lái)革命性和全新的理念。

SKA將分別在澳大利亞和南非+非洲8國(guó)（編者注：以南非為核心的非洲8國(guó)）兩個(gè)臺(tái)址分階段進(jìn)行建設(shè)，總部設(shè)在英國(guó)。SKA第一階段（SKA1）約建造10%的SKA，2019年開(kāi)始建設(shè)，5年完成。第二階段（SKA2）建設(shè)其余部分的SKA，預(yù)計(jì)2030年完成。SKA1將只建設(shè)反射面天線陣（中高頻）和低孔徑陣，致密孔徑陣（中頻）可能放到SKA2階段進(jìn)行建設(shè)。

SKA具有更高的靈敏度、更大的視場(chǎng)、更高的頻率和空間分辨率、更高效的巡天能力，以克服單口徑射電望遠(yuǎn)鏡的缺陷和不足。SKA的靈敏度能達(dá)到什么程度呢？若50光年以內(nèi)有飛機(jī)飛過(guò)，我們能清晰地聽(tīng)到兩個(gè)飛行員的對(duì)話。即便只完成10%的SKA，也將會(huì)是全球最卓越的射電望遠(yuǎn)鏡，綜合性能遠(yuǎn)超任何一部單口徑射電望遠(yuǎn)鏡。

將開(kāi)辟人類認(rèn)識(shí)宇宙的新紀(jì)元

SKA將揭示宇宙中誕生的第一代天體，重現(xiàn)宇宙從黑暗走向光明的歷史進(jìn)程；SKA將以宇宙最豐富的元素氫為信使，精確繪制宇宙最大的三維結(jié)構(gòu)圖像，檢驗(yàn)暗物質(zhì)和暗能量的基本屬性，有助于驅(qū)散籠罩在21世紀(jì)自然科學(xué)上空的兩朵烏云；SKA將發(fā)現(xiàn)銀河系幾乎所有的脈沖星，并有望發(fā)現(xiàn)第一個(gè)黑洞-脈沖星對(duì)，對(duì)引力理論做精確的檢驗(yàn)；SKA將對(duì)數(shù)百顆毫米脈沖星精準(zhǔn)測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)來(lái)自超大質(zhì)量黑洞的引力波；SKA將重建宇宙磁場(chǎng)的結(jié)構(gòu)，探知宇宙磁場(chǎng)的源頭；SKA將探尋原始生命的搖籃，并尋找茫茫宇宙深處的知音；SKA也將探尋未知的宇宙，帶來(lái)全新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。其中任何一個(gè)問(wèn)題的突破，都將引起自然科學(xué)的重大革命。

中國(guó)SKA科學(xué)團(tuán)隊(duì)由11個(gè)科學(xué)研究課題以及150多名天文學(xué)家構(gòu)成，瞄準(zhǔn)以下課題：

優(yōu)先科學(xué)領(lǐng)域之一：發(fā)揮十年從事低頻射電探索“宇宙第一縷曙光”的經(jīng)驗(yàn)，利用SKA1低頻陣1000h的五個(gè)定點(diǎn)觀測(cè)天區(qū)數(shù)據(jù)，直接抓捕宇宙第一代天體誕生和再電離的身影，再現(xiàn)宇宙的黎明。同時(shí)參加大天區(qū)的低頻巡天，匯聚來(lái)自宇宙早期的微弱中性氫信號(hào)，從統(tǒng)計(jì)上揭示宇宙再電離時(shí)期的宇宙整體結(jié)構(gòu)特性。

優(yōu)先科學(xué)領(lǐng)域之二：積極參與脈沖星的搜尋，并致力于發(fā)現(xiàn)毫秒脈沖星、脈沖星-脈沖星系統(tǒng)、脈沖星-黑洞系統(tǒng)等具有特別重要科學(xué)價(jià)值的事例以用于檢驗(yàn)引力理論。將長(zhǎng)期參加并逐步主導(dǎo)脈沖星陣列的測(cè)時(shí)工作，期望成為發(fā)現(xiàn)超大質(zhì)量黑洞及其合并過(guò)程引力波輻射的主要貢獻(xiàn)者。

若干重要突破方向：充分利用SKA1極高靈敏度和大面積巡天的優(yōu)勢(shì)，開(kāi)展中性氫21厘米宇宙學(xué)研究，揭示從黑洞、星系動(dòng)力學(xué)直至宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的性質(zhì)，檢驗(yàn)暗物質(zhì)和暗能量的特性；利用SKA快速巡天和極高時(shí)間分辨率的優(yōu)勢(shì)，探究暫現(xiàn)源（如快速射電暴、伽馬暴、引力波源、黑洞）的物理本質(zhì)，解釋宇宙極端天體的秘密；繪制從星云到宇宙大尺度的磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)，追溯宇宙各層次的磁場(chǎng)起源。

風(fēng)險(xiǎn)與挑戰(zhàn)并存

我們也清楚地意識(shí)到，作為國(guó)際天文學(xué)界史無(wú)前例的革命性大科學(xué)裝置，SKA1在設(shè)計(jì)、建設(shè)、技術(shù)、科學(xué)、運(yùn)行和管理等諸多方面也面臨巨大風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)。

第一，高額的建造費(fèi)用使得SKA1不斷修訂基線和緊縮預(yù)算，目前依舊存在20%的資金缺口，尚無(wú)有效的解決方案。加之各國(guó)出資比例遠(yuǎn)未定型，有可能會(huì)造成SKA1談判的艱巨性，導(dǎo)致建設(shè)的進(jìn)一步延誤。

第二，因?yàn)榻ㄔO(shè)時(shí)間多次推遲，給其他一些類似天文觀測(cè)設(shè)備，如美國(guó)瞄準(zhǔn)宇宙再電離探測(cè)的HERA望遠(yuǎn)鏡陣贏得了充足的時(shí)間，SKA1設(shè)定的一些有限科學(xué)目標(biāo)可能失去先進(jìn)性和科學(xué)價(jià)值。

第三，中國(guó)SKA科學(xué)團(tuán)隊(duì)目前還沒(méi)有完全掌握SKA的關(guān)鍵數(shù)據(jù)處理技術(shù)，如干涉陣高動(dòng)態(tài)成圖、多波束成像和低頻脈沖星尋找等，缺少自主射電干涉天文軟件，將在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中處于極其不利的低位，影響既定科學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

第四，SKA1觀測(cè)運(yùn)行機(jī)制尚未確立，中國(guó)SKA科學(xué)團(tuán)隊(duì)能否領(lǐng)先或主導(dǎo)SKA1一些首要科學(xué)任務(wù)還不清楚。

中國(guó)作為SKA主要成員國(guó)之一，將以大國(guó)風(fēng)范和責(zé)任以及對(duì)卓越科學(xué)目標(biāo)勢(shì)在必得的追求，在其中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用，并獲得豐厚的科學(xué)回報(bào)。參加SKA將是中國(guó)天文學(xué)發(fā)展的里程碑，經(jīng)過(guò)充分準(zhǔn)備的中國(guó)SKA團(tuán)隊(duì)會(huì)肩負(fù)時(shí)代重任，迎難而上、不負(fù)使命、迎接挑戰(zhàn)，在探索未知和神秘的宇宙中創(chuàng)造奇跡、鑄造輝煌。

（作者：武向平，系中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員）

（原載于《光明日?qǐng)?bào)》2018-07-05 13版）