出品 | 網(wǎng)易新聞
作者 | 浪潮擊水，軍事&法學(xué)愛(ài)好者
數(shù)千年來(lái)，人類(lèi)探索宇宙的腳步從未停止過(guò)，但是在伽利略改進(jìn)望遠(yuǎn)鏡使其可以放大幾十倍之前，人類(lèi)甚至都沒(méi)有細(xì)致觀(guān)察過(guò)距離我們最近的月球?？梢哉f(shuō)，在天文望遠(yuǎn)鏡出現(xiàn)之后，人類(lèi)才有了開(kāi)荒的工具，才能夠把視野投向更加“蠻荒”的宇宙。
折射式望遠(yuǎn)鏡、反射式望遠(yuǎn)鏡、折返式望遠(yuǎn)鏡，對(duì)于可見(jiàn)光以外的波段，人類(lèi)發(fā)明了射電望遠(yuǎn)鏡，當(dāng)單體射電望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展逐步受限于制造水平的進(jìn)步速度時(shí)，人類(lèi)又發(fā)明了綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡……
?。ㄖ袊?guó)制造的世界上最大的球面射電望遠(yuǎn)鏡——FAST，500米口徑）
但是，面對(duì)跨度動(dòng)輒百萬(wàn)光年的距離，不論是目前最大的單體射電望遠(yuǎn)鏡還是已有的綜合孔徑射電望遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡組成通訊網(wǎng)絡(luò)則無(wú)法記錄統(tǒng)一的信號(hào)和時(shí)間，在分析數(shù)據(jù)前還需要進(jìn)一步轉(zhuǎn)化，加之現(xiàn)今大部分射電望遠(yuǎn)鏡還依靠機(jī)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(yuǎn)鏡的傳統(tǒng)干涉技術(shù)與線(xiàn)控雷達(dá)技術(shù)結(jié)合在一起，并建造一臺(tái)用超級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息化控制的綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡就是人類(lèi)下一階段的建設(shè)目標(biāo)。
現(xiàn)在，這個(gè)目標(biāo)已經(jīng)開(kāi)始實(shí)現(xiàn)，平方公里射電望遠(yuǎn)鏡（SKA）計(jì)劃的第一階段建設(shè)已經(jīng)于2018年正式開(kāi)始，2019年中國(guó)作為SKA項(xiàng)目的創(chuàng)始國(guó)之一簽署了“羅馬公約”，標(biāo)志著平方公里陣列天文臺(tái)正式成立。
（一）人類(lèi)歷史上最大的科學(xué)工程
平方公里陣列望遠(yuǎn)鏡（Square kilometer Array）是國(guó)際天文界計(jì)劃建造的世界最大綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡，其接收面積達(dá)到一平方公里，是一個(gè)由三千多個(gè)反射面天線(xiàn)和一百萬(wàn)個(gè)低頻天線(xiàn)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(xiàn)由于性?xún)r(jià)比高，是SKA項(xiàng)目中主要使用的天線(xiàn)之一）
綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡的空間分辨率取決于觀(guān)測(cè)所用的基線(xiàn)長(zhǎng)度，而靈敏度則取決于各個(gè)天線(xiàn)的總接收面積。SKA項(xiàng)目組成的孔徑陣列無(wú)可匹敵的基線(xiàn)長(zhǎng)度和天線(xiàn)總數(shù)目，使得其在觀(guān)測(cè)范圍方面很大程度上將超過(guò)哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的圖像分辨率質(zhì)量，在靈敏度方面則是目前人類(lèi)最靈敏的射電望遠(yuǎn)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(xiàn)，是SKA項(xiàng)目另一種中主要使用的天線(xiàn)）
在地球上具有完美射電靜默背景并可以布置大面積天線(xiàn)陣列的地區(qū)中，SKA計(jì)劃選址在南非的沙漠地區(qū)（高頻和中頻陣列望遠(yuǎn)鏡部分）和西澳大利亞地區(qū)（低頻孔徑望遠(yuǎn)鏡部分）。天線(xiàn)陣列的排列方式并不均勻，以南非的天線(xiàn)陣列為例：占總數(shù)量百分之五十的碟形天線(xiàn)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(xiàn)，分別為高頻波段天線(xiàn)、偶極天線(xiàn)和中頻波段天線(xiàn)，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^(guò)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(gè)天線(xiàn)信號(hào)同步精度達(dá)到一百零八分之一秒以?xún)?nèi)，相鄰天線(xiàn)之間全部用光纖連接，使用光纖總長(zhǎng)度可以繞地球兩周。
為了能夠及時(shí)處理每個(gè)信號(hào)接收節(jié)點(diǎn)的信息，所有的天線(xiàn)都配備有對(duì)應(yīng)的智能接收機(jī)，實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)接收到的信號(hào)數(shù)字化，各個(gè)站點(diǎn)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(tái)世界上最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)將被用于處理SKA共計(jì)130萬(wàn)個(gè)天線(xiàn)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(chǔ)存并分發(fā)600拍字節(jié)（1拍字節(jié)=1024TB）的數(shù)據(jù)，可以說(shuō)是真正的大數(shù)據(jù)望遠(yuǎn)鏡。
?。ㄊ澜缟献羁斓某?jí)計(jì)算機(jī)將被用于SKA數(shù)據(jù)處理）
SKA計(jì)劃的時(shí)間跨度也是空前的，1991年，包含中國(guó)在內(nèi)的十國(guó)天文學(xué)家提出了SKA初步設(shè)想，1993年國(guó)際工作組建立，2008年開(kāi)始概念設(shè)計(jì)，2012年選址……在2018年正式開(kāi)始SKA1階段的建設(shè)之前，這個(gè)人類(lèi)歷史上最大的科學(xué)工程已經(jīng)使用了二十多年的時(shí)間進(jìn)行設(shè)計(jì)和談判。
2018年開(kāi)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(yuǎn)鏡，到2023年完成，內(nèi)容包括非洲反射面天線(xiàn)和澳大利亞的低頻天線(xiàn)，分階段完成可以提前進(jìn)行科學(xué)觀(guān)測(cè)，2023年開(kāi)始的SKA第二階段（SKA2）將補(bǔ)充設(shè)備，這種補(bǔ)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(xiàng)目可能顛覆的、人類(lèi)從發(fā)明望遠(yuǎn)鏡至今400年形成的宇宙認(rèn)知相比，四十年的準(zhǔn)備并不算太長(zhǎng)。
（二）中國(guó)設(shè)計(jì)的天線(xiàn)，為SKA提供“眼睛”和“耳朵”
作為SKA項(xiàng)目創(chuàng)始國(guó)之一，中國(guó)參與了天線(xiàn)（DSH）、低頻孔徑陣列（LFAA）、中頻孔徑陣列（MFAA）、信號(hào)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(gè)國(guó)際工作包聯(lián)盟的研發(fā)工作，特別是在項(xiàng)目的核心設(shè)備——收發(fā)天線(xiàn)的設(shè)計(jì)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(yuǎn)鏡探路者（ASKA-P）望遠(yuǎn)鏡36個(gè)天線(xiàn)全部由中國(guó)提供。
?。?6個(gè)ASKA-P天線(xiàn)之一）
2018年2月6日，中國(guó)主導(dǎo)研制的平方公里陣列射電望遠(yuǎn)鏡天線(xiàn)探路者（SKA-P）的首臺(tái)新型設(shè)備成功啟動(dòng)試運(yùn)行，為項(xiàng)目提供了目前世界上最先進(jìn)的天線(xiàn)解決方案。
?。ㄖ袊?guó)制造的新型SKA-P反射面天線(xiàn)）
射電望遠(yuǎn)鏡的天線(xiàn)組成了整個(gè)系統(tǒng)的眼睛和耳朵，其原理同光學(xué)望遠(yuǎn)鏡聚焦光線(xiàn)一樣，也將投射來(lái)的目標(biāo)天體的射電輻射，用鏡面反射之后同相到達(dá)公共焦點(diǎn)，然后接收機(jī)將這些信號(hào)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(hào)記錄下來(lái)。
在這個(gè)過(guò)程中，影響射電望遠(yuǎn)鏡的基本指標(biāo)是：空間分辨率（區(qū)分兩個(gè)相互靠近天體的射電點(diǎn)源的能力）、靈敏度（探測(cè)微弱射電源的能力）和巡天速度（快速掃描觀(guān)測(cè)同一天區(qū)的能力）。
SKA-P反射面天線(xiàn)包含主副兩個(gè)反射面，主反射面總面積達(dá)到235平方米，由66塊邊長(zhǎng)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(gè)籃球場(chǎng)大小的平面時(shí)，整個(gè)“鏡面”的精度達(dá)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?xún)?nèi)。同時(shí)，在實(shí)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(gè)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(xiàn)系統(tǒng)中還采用了高電磁屏蔽電線(xiàn)座架設(shè)計(jì)，定向的屏蔽掉電子設(shè)備輻射的電磁信號(hào)，讓這個(gè)靈敏的“耳朵”可以“屏息聆聽(tīng)”宇宙的聲音。
SKA-P反射面天線(xiàn)摒棄了傳統(tǒng)的機(jī)械掃描方式，裝配有相位陣列饋源（PAF）。它的前輩——ASKA-P天線(xiàn)工作時(shí)，同時(shí)產(chǎn)生三十個(gè)獨(dú)立的波束覆蓋三十平方度（手臂伸直時(shí)小拇指的寬度約為一度）視界來(lái)給天線(xiàn)提供廣闊的視場(chǎng)（FoV），使望遠(yuǎn)鏡能夠同時(shí)觀(guān)測(cè)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(guān)測(cè)速度已經(jīng)是南半球任何同級(jí)別望遠(yuǎn)鏡的兩倍，可以預(yù)見(jiàn)，SKA-P的速度還將大幅度提升。
射電天線(xiàn)的本質(zhì)是發(fā)揮“射電照相”的作用（在非可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍內(nèi)），為了捕捉遙遠(yuǎn)太空中的“光”，這個(gè)“照相機(jī)”的“曝光時(shí)間”非常長(zhǎng)（ASKA-P系統(tǒng)拍攝的南天極區(qū)域耗時(shí)12小時(shí)），要保證最終建成的覆蓋數(shù)千公里范圍，幾千個(gè)天線(xiàn)的SKA系統(tǒng)穩(wěn)定“拍攝”，實(shí)現(xiàn)最大的接收效率，就要保證所有天線(xiàn)同時(shí)對(duì)準(zhǔn)一個(gè)目標(biāo)并持續(xù)同步跟蹤觀(guān)測(cè)。
SKA-P天線(xiàn)的控制系統(tǒng)采用的全數(shù)字高精度伺服驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)、高精度座架和天線(xiàn)結(jié)構(gòu)的保型設(shè)計(jì)，能夠?yàn)榻M成望遠(yuǎn)鏡的天線(xiàn)設(shè)定特殊的旋轉(zhuǎn)軸，實(shí)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(yuǎn)鏡長(zhǎng)時(shí)間工作，相當(dāng)于給照相機(jī)添加了手持穩(wěn)定器，幫助穩(wěn)定望遠(yuǎn)鏡的朝向，提高圖像質(zhì)量。
?。╝lma射電望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)有史以來(lái)最古老的合并星系）
除了天線(xiàn)設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域，在科學(xué)數(shù)據(jù)處理方面，中國(guó)擁有“神威.太湖之光”等世界最強(qiáng)的超級(jí)計(jì)算機(jī)研發(fā)和使用經(jīng)驗(yàn)，這些也為SKA提供硬件支持。另外在2005年，中國(guó)在新疆建設(shè)了包含一萬(wàn)個(gè)天線(xiàn)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(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的分析軟件，這對(duì)于未來(lái)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(wèn)題
就在剛剛過(guò)去的國(guó)慶長(zhǎng)假期間，位于中國(guó)貴州的世界最大單口徑射電望遠(yuǎn)鏡，被譽(yù)為“中國(guó)天眼”的五百米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST）又新發(fā)現(xiàn)并認(rèn)證了3顆脈沖星，至此，F(xiàn)AST已經(jīng)發(fā)現(xiàn)并認(rèn)證的脈沖星數(shù)量達(dá)到近百顆。
而SKA有望克服包括FAST在內(nèi)的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡的缺陷和不足，同時(shí)獲得更高的靈敏度、更大的視場(chǎng)、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(yàn)證愛(ài)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(chǎng)的作用，甚至探測(cè)微弱的外星信號(hào)并在太空中尋找能夠形成生命的復(fù)雜分子，乃至為人類(lèi)尋找地球以外的宜居星球……
SKA是中國(guó)參與的重要的國(guó)際科學(xué)裝置，是體現(xiàn)“人類(lèi)命運(yùn)共同體”的科研實(shí)踐，中國(guó)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(shí)也為解決人類(lèi)問(wèn)題貢獻(xiàn)了中國(guó)智慧和中國(guó)方案。
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