世界上最大的射电望远镜将如何彻底改变天文学

据外媒NewAtlas报道，世界上最大的射电望远镜正在形成。平方公里阵列（SKA）将成为有史以来规模最大的射电望远镜，而随着最近推出的第一个原型天线正样样机，科学家将开始寻找关于宇宙及其起源的一些最基本问题的答案。那么SKA究竟是什么，它会教给我们关于宇宙的什么知识？由于KarlJansky在20世纪30年代从太空中发现了第一批无线电信号，因此天文学家利用一系列天体和物体发射的无线电波探测我们的宇宙。这些电波肉眼是不可见的，但是可以在距离数百万和数十亿光年远的地方用射电望远镜获取并转换成图像。射电天文学已经使我们得到了一些惊人的天文发现，如脉冲星，系外行星和宇宙微波背景（来自宇宙大爆炸遗留下来的残余信号）。平方公里阵列将把这个提升到一个新的水平。平方公里阵列将在南非和西澳大利亚的平原上展开，它将结合多种不同的天线技术，速度将比当今最好的射电天文设施快数百倍。当它于2024年开始运行时，它将能够探测到数十亿光年远处的宇宙源发出的无线电信号，并具有无与伦比的灵敏度。在20个国家的国际合作中，平方公里阵列将改变全球天文观测的规模和范围。国际无线电科学联盟（URSI）于1993年创建了大望远镜工作组，以建立创新的无线电观测台的科学目标和规范。这最终导致了2011年SKA组织的成立。这个名字反映了构建分布式阵列天线的初衷，其收集面积高达一平方公里，（尽管这个概念已经扩展，而且完整的SKA将比这更大）。目前平方公里阵列项目涉及500多名工程师，使其成为目前世界上最大的公共科学数据项目。科学家最初的计划是在南非的一个半荒漠地区Karoo为该项目寻找一个地点。其远程位置确保人为产生的无线电波不会干扰从自然界收集的无线电波。而2012年科学家正式宣布第二个站点位于西澳大利亚的默奇森射电天文台。在每个地点已经建造的前体设被用来改进未来十年的天线设计。南非的MeerKAT和HERA以及澳大利亚的Murchison Widefield Array （MWA）和CSIRO的澳大利亚SKA Pathfinder （ASKAP）开展适用于主阵列的科学研究，以及测试对一般功能至关重要的技术发展的SKA。世界各地的其他系统，例如加利福尼亚的艾伦望远镜阵列，英国的e-MERLIN和荷兰的低频阵列，将用于与SKA有关的技术和研究。第一个原型2018年2月6日，由中国主导研发的SKA首台天线样机(SKA-P)在石家庄出厂，尽管主要的建造阶段还需要几年时间。直径15米首台天线样机是国际间三年合作的成果。零件来源于中国、德国和意大利，并由中国电子科技集团公司第五十四研究所（CETC54）进行总装。CETC54领导这个原型的设计和生产过程，专注于精炼重要组件，如主反射器，副反射器和底座。“这是CETC54开发的一种成熟方法，”射电天文技术联合实验室（JLRAT）的王锋表示。“应用于SKA天线，它使我们能够实现和保持天线表面达到非常精确的水平以及所有面板的一致性。”德国MT Mechatronics的工程师们一直忙于制造精密的硬件和电子设备来移动天线，而意大利Societ?Aerospaziale Mediterranea（SAM）则研究了馈电分度器，这是一种电子机械部件，可以使各种接收器根据详细观察的需要进行调整并与天线的光学部件对准。“反馈指数是这个天线的一个非常创新的部分，这是同类产品中的第一个，”SAM团队协调员RenatoAurigemma表示。“我们有严格的要求，因为分度器需要以高精度移动，以亚毫米级的精度定位接收器，而且它还需要能够承受重负载，例如单独的Band1接收器重量为165千克（364磅）。”I期和II期SKA的第一阶段目前正通过世界各地几个站点的预建阶段实施，计划于2019年进行首次天文观测。作为主要站点，南非将主持200个中频范围350MHz-14GHz的无线电天线。这些望远镜从三个螺旋臂辐射出来，跨越33平方公里（12.7平方英里）的区域，这些望远镜的分辨率将提高四倍，灵敏度提高五倍，并且能够比新墨西哥州的卡尔央斯基甚大阵快60倍速度工作。在主要站点进行的研究将集中在引力波和脉冲星的研究上，并通过观察年轻恒星周围宜居区的热辐射，继续在银河系寻找地外生命。在地球的另一端，西澳大利亚将成为超过500个台站的130,000个偶极子天线的家园，每个台站的低频范围为50Mhz-350Mhz。这个孔径阵列分辨率提高25％，灵敏度提高8倍，并且与位于荷兰的低频阵列相比，其映射天空的速度将提升135倍。研究人员使用无线电信号到达每个接收器之间的时间差精确计算每个望远镜之间的基线或距离。这个距离越长，分辨率越高。国际射电天文研究中心的高级研究员Cathyrn Trott博士表示：“SKA的主要特点是它在地面上的许多小空间上有非常多的收集区域，这意味着您可以在非常广阔的区域收集光子，这使得它对来自宇宙的微弱信号非常敏感。例如，来自‘再游离时代’的信号非常弱，比我们目前在天空看到的任何其他信号弱得多......我们正在寻找的东西实际上深深地嵌入了宇宙中，所以我们需要远离城市到一个原始的夜空环境。”“与目前的望远镜相比，SKA将具有革命性意义，因为它的构建方式使我们能够从我们收到的数据中提取更多信息，”Trott博士继续说道。“计算以及快速处理数据的能力是另一项重大进步。”二期工程将于2020年左右完工。科学家旨在是将望远镜的强度提高到一个很高的频率范围，在西澳建造数百万个偶极子天线，并涉及博茨瓦纳、加纳、肯尼亚、马达加斯加、毛里求斯、莫桑比克、纳米比亚和赞比亚等八个非洲伙伴国。目前，仅这些望远镜的设计阶段就花费了超过1.5亿欧元，项目第一期的预计总成本预计为6.74亿欧元。从2018年到2027年，总费用可能接近18亿欧元。SKA的观测预计寿命约为50年。激励后代作为全球合作的重要基础之一，对SKA建设和运营的投资将继续加强各国机构之间的联系。由SKA开展的外展项目也将吸引公众参与，并促进教育，目的是为年轻一代带来科学发现的魅力。“SKA的科学进步涉及许多不同的天文学科，”Trott博士表示。“因此，将科研团队聚集在一个科学环境中，以了解重力的性质，我们宇宙的极端部分（如黑洞和中子星），并且能够一直回到起点。这些科学目标非常宏大及雄心勃勃，需要最好的国际人才。“关于天文学的令人难以置信的事情是，它捕捉到所有不同年龄阶段的人的想象力，从外展的角度来看，了解我们在宇宙中的位置以及它在一段时间内的演变是SKA可以提供。在学校，大学和珀斯的Astrofest等其他活动中，我们的推广团队实际上可以激发人们对科学的兴趣，这只会在未来产生全球性的有利影响。”