下一代超级射电望远镜

    【科学向未来】 

    在澳大利亚和非洲，包括中国在内的十多个国家的科技工作者正联合起来，为建造下一代超级射电望远镜（SKA）做准备。这将是人类有史以来建造的最庞大的天文观测设备，也是中国参加的第二大国际合作大科学工程。它汇集了人类在天文学、无线电、信息、通讯、计算机、机械制造等诸多领域的最新科技成果，将主导未来射电天文学50年的发展，有望催生多项重大科学发现，对自然科学和人类文明作出划时代的、革命性的贡献。

人类有史以来最庞大的天文设备

    下一代射电望远镜——平方公里阵列射电望远镜（Square Kilometre Array，SKA）是人类有史以来建造的最庞大的天文设备，将开辟人类认识宇宙的又一新纪元。SKA集传统射电天文干涉技术和现代相控雷达技术为一体，体现诸多当代科学技术的最新和最高成就。

    SKA由大量小单元天线（2500面15米口径的蝶形天线，250个直径为60米的致密孔径阵和130万只对数周期天线）组成，汇集形成巨大的接收面积从而获得极高的灵敏度，将以千公里的基线获得极高的空间分辨率，将以纳秒级的采样获得精细的时间结构，将以10Pb/s的速率产生超越目前全球互联网总量的大数据，带动E级计算、通信和存储的技术革新。大视场、多波束、高动态、高分辨、大数据等一系列新概念催生的SKA，将颠覆射电天文学的传统研究手段，给天文学研究带来革命性和全新的理念。

    SKA将分别在澳大利亚和南非+非洲8国（编者注：以南非为核心的非洲8国）两个台址分阶段进行建设，总部设在英国。SKA第一阶段（SKA1）约建造10%的SKA，2019年开始建设，5年完成。第二阶段（SKA2）建设其余部分的SKA，预计2030年完成。SKA1将只建设反射面天线阵（中高频）和低孔径阵，致密孔径阵（中频）可能放到SKA2阶段进行建设。

    SKA具有更高的灵敏度、更大的视场、更高的频率和空间分辨率、更高效的巡天能力，以克服单口径射电望远镜的缺陷和不足。SKA的灵敏度能达到什么程度呢？若50光年以内有飞机飞过，我们能清晰地听到两个飞行员的对话。即便只完成10%的SKA，也将会是全球最卓越的射电望远镜，综合性能远超任何一部单口径射电望远镜。

将开辟人类认识宇宙的新纪元

    SKA将揭示宇宙中诞生的第一代天体，重现宇宙从黑暗走向光明的历史进程；SKA将以宇宙最丰富的元素氢为信使，精确绘制宇宙最大的三维结构图像，检验暗物质和暗能量的基本属性，有助于驱散笼罩在21世纪自然科学上空的两朵乌云；SKA将发现银河系几乎所有的脉冲星，并有望发现第一个黑洞-脉冲星对，对引力理论做精确的检验；SKA将对数百颗毫米脉冲星精准测时，发现来自超大质量黑洞的引力波；SKA将重建宇宙磁场的结构，探知宇宙磁场的源头；SKA将探寻原始生命的摇篮，并寻找茫茫宇宙深处的知音；SKA也将探寻未知的宇宙，带来全新的科学发现。其中任何一个问题的突破，都将引起自然科学的重大革命。

    中国SKA科学团队由11个科学研究课题以及150多名天文学家构成，瞄准以下课题：

    优先科学领域之一：发挥十年从事低频射电探索“宇宙第一缕曙光”的经验，利用SKA1低频阵1000h的五个定点观测天区数据，直接抓捕宇宙第一代天体诞生和再电离的身影，再现宇宙的黎明。同时参加大天区的低频巡天，汇聚来自宇宙早期的微弱中性氢信号，从统计上揭示宇宙再电离时期的宇宙整体结构特性。

    优先科学领域之二：积极参与脉冲星的搜寻，并致力于发现毫秒脉冲星、脉冲星-脉冲星系统、脉冲星-黑洞系统等具有特别重要科学价值的事例以用于检验引力理论。将长期参加并逐步主导脉冲星阵列的测时工作，期望成为发现超大质量黑洞及其合并过程引力波辐射的主要贡献者。

    若干重要突破方向：充分利用SKA1极高灵敏度和大面积巡天的优势，开展中性氢21厘米宇宙学研究，揭示从黑洞、星系动力学直至宇宙大尺度结构的性质，检验暗物质和暗能量的特性；利用SKA快速巡天和极高时间分辨率的优势，探究暂现源（如快速射电暴、伽马暴、引力波源、黑洞）的物理本质，解释宇宙极端天体的秘密；绘制从星云到宇宙大尺度的磁场结构，追溯宇宙各层次的磁场起源。

风险与挑战并存

    我们也清楚地意识到，作为国际天文学界史无前例的革命性大科学装置，SKA1在设计、建设、技术、科学、运行和管理等诸多方面也面临巨大风险和挑战。

    第一，高额的建造费用使得SKA1不断修订基线和紧缩预算，目前依旧存在20%的资金缺口，尚无有效的解决方案。加之各国出资比例远未定型，有可能会造成SKA1谈判的艰巨性，导致建设的进一步延误。

    第二，因为建设时间多次推迟，给其他一些类似天文观测设备，如美国瞄准宇宙再电离探测的HERA望远镜阵赢得了充足的时间，SKA1设定的一些有限科学目标可能失去先进性和科学价值。

    第三，中国SKA科学团队目前还没有完全掌握SKA的关键数据处理技术，如干涉阵高动态成图、多波束成像和低频脉冲星寻找等，缺少自主射电干涉天文软件，将在国际竞争中处于极其不利的低位，影响既定科学目标的实现。

    第四，SKA1观测运行机制尚未确立，中国SKA科学团队能否领先或主导SKA1一些首要科学任务还不清楚。

    中国作为SKA主要成员国之一，将以大国风范和责任以及对卓越科学目标势在必得的追求，在其中发挥越来越重要的作用，并获得丰厚的科学回报。参加SKA将是中国天文学发展的里程碑，经过充分准备的中国SKA团队会肩负时代重任，迎难而上、不负使命、迎接挑战，在探索未知和神秘的宇宙中创造奇迹、铸造辉煌。

    （作者：武向平，系中国科学院院士、中国科学院国家天文台研究员）

    本文中图片均为SKA效果图。 由SKA组织提供