據悉，經過數年籌備，平方千米陣列望遠鏡（Square Kilometer Array Telescope，簡稱SKA）將於2021年1月1日啟動建設。
SKA是國際天文學家計劃建造的世界最大綜合孔徑射電望遠鏡，接收總面積達一平方千米，整個陣列延伸超過3000千米。其科學目標包括探求引力本質、搜尋地外文明等前沿問題。
作為SKA的創始成員國，中國將承擔該項目總計13個大類別中的5項，特別是在工程技術、數據處理、時間同步等方面承擔重要工作。
幾年以后，這樣的場景一定會在各種終端屏幕上“刷屏”：在人跡罕至、荒涼寂靜的澳大利亞西部默奇森郡，廣袤的大地上豎立著幾百個樣貌奇特的金屬支架，看起來與居民樓頂的電視接收天線沒什麼差別﹔由此一路向西，跨越印度洋，進入視野的是同樣人煙稀少、寂寞荒涼的南非卡魯地區，密布的銀光閃閃的碟形天線讓人仿佛來到科幻電影《超時空接觸》的拍攝現場。
將於2021年開工建設的平方千米陣列望遠鏡（SKA）由位於西澳大利亞的低頻射電望遠鏡陣列和主要位於南非的中高頻射電望遠鏡陣列構成，是人類有史以來建造的最大規模射電望遠鏡，因其最終的信號接收面積可達1平方千米而得名。
從1993年首次提出建設構想，到1997年由來自六個國家的八家科研院所首次簽訂合作備忘錄，再到2008年SKA項目辦公室正式落戶在英國曼徹斯特，直至2011年成立全面領導建設項目的非營利性SKA組織，來自十余個國家的百余家科研單位的上千位科學家、工程師、項目管理人員通力合作，終於將SKA帶到開工建設的階段。
無心插柳之舉開創了射電天文學
傳統的天文望遠鏡其實隻能接收到天體發出的可見光輻射，因此天文學家稱它們為光學望遠鏡。遙遠的天體在全電磁波段都會發出輻射，除了可見光波段之外，有能量更高的紫外、X射線和伽馬射線，能量更低的紅外、微波以及射電輻射。天文學家用來接收天體發出的射電波段輻射的儀器就被稱為射電望遠鏡。利用射電望遠鏡從事天體射電輻射研究的天文學分支就是射電天文學。
恰如科幻電影所展現的那樣，最初的射電望遠鏡大都是拋物面結構，也就是所謂的碟狀天線，與我們熟悉的電視接收天線或通信衛星天線很像，只是個頭要大得多。相較於光學望遠鏡，射電望遠鏡最大的優勢是白天黑夜都可以觀測，而不必等到夜幕降臨。由於來自恆星、行星、星系等天體的射電輻射非常微弱，因此射電望遠鏡的口徑必須非常大，接收設備必須極其靈敏，才能收集到足夠多的射電波段能量供天文學家研究使用。射電望遠鏡的選址也要遠離人口密集的城市，避免無線電通訊、電視、機動車、電台等一切人造電磁干擾。
相較於歷史悠久的光學天文觀測而言，射電天文學是一門新興的分支學科，其鼻祖是美國的卡爾·央斯基。1932年，央斯基作為美國貝爾電話實驗室的工程師，建造了一架直徑30米的天線，用來辨別可能對無線電通信造成干擾的信號源。測量結果表明存在一個周期為23小時56分鐘的重復干擾源。經過與光學波段的星圖比對，央斯基斷定這個重復的干擾源來自銀河系，在人馬座方向信號最強。卡爾的無心插柳開創了射電天文學。
由於射電波段頻率覆蓋十分寬泛，射電波長從毫米（亞毫米）波到厘米波、米波以及更長的量級，不同目標天體發出輻射的頻率也不盡相同，因此射電望遠鏡的大小、樣貌千差萬別。既有公眾熟悉的單個碟形天線，也有樣子奇特的鐵絲網一樣的米波射電望遠鏡陣列。
把距離遙遠的射電望遠鏡連在一起
射電天文學在1946年迎來了革命性的突破，干涉技術讓射電天文觀測不再局限於某個固定的台站。簡單說，天文干涉技術就是把很多台射電望遠鏡對同一目標觀測的結果，或者通過光纖信號傳輸，或者通過原子鐘同步，再經超級計算機后期處理，綜合每台射電望遠鏡的數據，模擬使用一台超大口徑射電望遠鏡的觀測結果，以達到超高的分辨率。
有了射電干涉技術，射電天文學家就可以跨越大陸、大洋，將距離遙遠的射電望遠鏡連在一起，因為這樣的射電望遠鏡口徑不再是單天線望遠鏡的直徑（目前最大的是我國貴州FAST望遠鏡，口徑500米），而是連接在一起形成望遠鏡陣列的望遠鏡中，最遠端的兩台望遠鏡間的距離（在地面上的極值可以是地球直徑）。再利用綜合孔徑技術（將不同射電望遠鏡觀測到的輻射信號按其相位進行疊加，相同相位的信號得到增強，而相位相反的信號則互相抵消），從而將射電望遠鏡的分辨率提高萬倍。
位於美國新墨西哥州的甚大望遠鏡陣列（VLA）擁有27台射電望遠鏡，可以組成371條不同的基線（即從被觀測天體的角度看來，任意兩台射電望遠鏡間的距離）。基線的數量越多，基線越長，在射電波段觀測得到的圖像分辨率就越高。印度的巨型米波射電望遠鏡，是已建成的有物理連接的最大射電望遠鏡陣列。正在建造的歐洲低頻陣列則由2萬個小型天線組成，分布在48個不同的台址，其分辨率相當於一台口徑幾百千米的望遠鏡﹔大名鼎鼎的甚長基線（VLBI）干涉陣列擁有長達幾千千米的基線，是射電干涉以及綜合孔徑技術應用的翹楚。
平方千米陣列望遠鏡開辟新歷史
說到這裡，我們就不難看出SKA為什麼會成為全球天文學家關注的焦點：無論是基線的長度，還是一次投入觀測的望遠鏡數目，都遠遠優越於目前已有的射電望遠鏡陣列﹔望遠鏡所在的西澳大利亞和南非都遠離人口密集的城市，無線電干擾可以降至最低。位於西澳大利亞的SKA低頻射電天線陣列將由分布在核心區域和三個旋臂的512個台站構成，觀測的最長基線可達65千米，每一個台站都包括大約250個獨立的偶極天線，意味著需要安裝的天線總數將多達13萬。
地處南非的中高頻射電天線陣列也採用類似的建造模式，133個陸續新建的台站將與南非已有的64架碟形射電望遠鏡一同組成大型射電望遠鏡陣列，最遠基線長達150千米。排列在三個旋臂上的200架望遠鏡覆蓋33平方千米的區域。
SKA的終極目標則更加宏偉，是上述望遠鏡陣列規模的十倍。其中澳大利亞部分的低頻射電望遠鏡總數量將達到100萬台，以南非為中心的中高頻射電望遠鏡總量為2000台，將分布在博茨瓦納、加納、肯尼亞、馬達加斯加、毛裡求斯、莫桑比克、納米比亞和贊比亞等八個非洲伙伴國境內。預計2025年左右，SKA就能夠運行部分陣列開始天文科學探測工作。
史詩般的SKA讓天文學家躊躇滿志，這從SKA的科學目標涵蓋的范圍就可見一斑：挑戰愛因斯坦的廣義相對論（探求引力本質）、生命搖籃（搜尋地外文明）、星系形成、宇宙學和暗能量、探測宇宙曙光等等，全部是天文學最前沿最具吸引力的課題。SKA究竟會給我們帶來多少驚喜，讓我們拭目以待！
延伸閱讀
“中國貢獻”日益凸顯
中國作為SKA項目最早的發起國之一，自上世紀90年代起就積極參與SKA的籌建工作。隨著我國科學技術水平飛躍式的發展，對SKA項目的“中國貢獻”也日益凸顯出來。
龐大的望遠鏡陣列在以超高分辨率和超高靈敏度極速完成巡天觀測的同時，必將產生前所未有的超大數據量。2019年11月，由中科院上海天文台牽頭的科研團隊成功研制出SKA區域中心原型機。原型機的計算模塊採用了新型數據島架構，將整個數據中心分成若干個小區域或多個子數據中心，既可以獨立執行數據處理任務，也可以根據需求靈活重組資源，滿足SKA多任務並行處理的要求。
在SKA項目的進程中，“中國貢獻”不隻體現在以數據處理原型機為代表的“軟實力”方面。中國電子科技集團公司第五十四研究所於2018年2月完成了SKA反射面天線首台樣機的設計制作，展現了SKA項目“中國貢獻”的“硬實力”。由於需要建造的天線數量眾多，SKA組織對天線價格、建設速度和運行維護的費用等都提出了近乎苛刻的要求。我國提出的天線設計制作方案正是憑著“物美價廉”的高性價比力壓群芳，在2015年11月召開的天線設計方案國際評選會上，被國際評審委員會一致推薦為SKA天線的唯一研發方案。
集中學習動員部署會
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