世界最大射電望遠鏡陣列:光纜可繞地球二周

■ 任秋凌

來自20個國家的科學家正在制訂一項規模龐大的計劃，以建造一個巨型射電望遠鏡陣列。這個望遠鏡陣列占地面積相當于一個大陸，能夠揭示行星、星系的誕生和暗能量的謎團，同時也可用于搜尋地外文明發出的信號。

2030年年底投入使用

這個巨型射電望遠鏡陣列名為“平方千米陣列”（以下簡稱SKA）。SKA并不是一個直徑達到1000米的射電碟形天線，而是由多達3000個較小的碟形天線構成。SKA項目負責人理查德·斯基利齊表示：“碟形天線將采用橢圓形設計，直徑在15米左右，由于造價必須低廉，它們的構造較為簡單。”

之所以建造一個如此巨大的陣列，是因為無線電波的波長遠遠超過可見光。e-Merlin望遠鏡陣列——坐落于英國曼徹斯特的喬德萊爾·班克射電天文臺——負責人西蒙·加林頓指出：“為了獲得與先進光學望遠鏡同樣的觀測細節，需要鏡面直徑100千米的望遠鏡。很顯然，你不可能建造一架口徑100千米的望遠鏡，但你可以建造一個望遠鏡陣列，通過將它們連接在一起達到同樣的效果。”SKA的靈敏度將是目前地球上最靈敏的射電望遠鏡陣列的50倍，解析度則將是后者的100倍。迄今為止，來自20個國家的參與者已經投入15億歐元。這一項目預計于2024年前后完工，但真正投入使用還要等到2030年年底。

南非和澳大利亞成首選

SKA陣列建造地點的爭奪異常激烈，最被人看好的提議有二個：一個是澳大利亞西部，另一個是南非的北開普省。SKA項目南非負責人伯尼·法納羅夫表示：“最為重要的是找到一個受無線電傳輸干擾極小的地區。如果建造地附近存在任何強廣播信號，那就像是在太陽升起時觀察天空中的星星一樣。你不希望被手機信號覆蓋，也不希望周圍有很多人和汽車。我們在進行最初的測試時發現，就算是坐到一把塑料椅上這樣微不足道的事情，也會產生干擾。”

在完成的陣列中，大約有50%的碟形天線位于中部5千米范圍內，25%位于向外200千米范圍內，最后的25%則位于最外部3000千米范圍內。根據南非的提議，碟形天線將建在納米比亞、博茨瓦納、莫桑比克、馬達加斯加、贊比亞、毛里求斯、肯尼亞和加納。根據澳大利亞的提議，這個陣列將最遠延伸至新西蘭。競標負責人布萊恩·博伊勒表示：“澳大利亞建議的核心地點默奇森射電天文臺坐落于地球上一個人口最為稀少的地區。選擇澳大利亞和新西蘭可以讓望遠鏡陣列覆蓋5500千米的區域。”

光纜長度可繞地球二周

SKA陣列的天線包括能夠將無線電波聚集的傳統曲面碟形天線，其他天線則為平板式天線。這個陣列將以一個相控天線陣的形式投入工作，由于采用先進的電子設備，將時間間隔以及到達陣列不同區域的相同無線電信號等因素考慮在內，SKA陣列無須移動便可立即定向。SKA項目籌備階段英國負責人、喬德萊爾·班克天文臺的克里斯·申頓表示，這意味著允許望遠鏡一次觀測不同方向。“我們可以按照自己的需要觀測很多方向的無線電波，這是一種優勢，可以同時進行多項實驗。例如，我們可以對一個無線電波進行研究，同時對另一個進行非常詳細的觀測。”

然而，構建這樣一個網絡絕非易事。信號同步精度必須達到1/108秒，所需光纜數量也是一個驚人數字，連接在一起的長度可繞地球二周。完成連接工作之后，電腦還要對每一對碟形天線進行比較。每架望遠鏡1秒可產生大約20GB數據，足以在短短幾分鐘內裝滿存儲量最大的電腦硬盤。斯基利齊說：“我們需要擁有巨大的數據處理能力，根據我們的估計，只有世界上最強大的超級計算機才能勝任這項工作。”

解答一系列科學疑問

SKA陣列將負責解答一系列科學疑問，其中包括行星如何形成、引力波如何拉伸宇宙的結構以及首批形成的星系如何演化。牛津大學的史蒂夫·勞林斯甚至希望SKA陣列能夠揭開暗能量的謎團，他說：“SKA陣列就像是一臺時間機器。如果能夠看得更遠，你所觀察到的宇宙就更為年輕，進而了解宇宙膨脹過程。暗能量似乎加速宇宙膨脹，我們將發現這種能量并有可能揭開其真面目。”

SKA項目科學家、美國航空航天局噴氣推進實驗室的約瑟夫·拉齊奧希望SKA陣列能夠上演一個更令人興奮的發現，即發現地球以外世界的無線電信號。他說：“SKA陣列將擁有足夠的靈敏度，能夠發現人為產生的無線電信號，進而找到一些距離我們最近的恒星系統內的類地行星。也許在50年內，我們便可發現另一個在科技方面與我們相當接近的文明。”

現在，SKA項目的國際籌劃指導委員會正在確定總部建造地點，候選地點包括荷蘭、德國以及英國的喬德萊爾·班克天文臺。2012年，他們將敲定SKA陣列的建造地點。博伊勒表示，SKA陣列一定會上演一系列預料內和預料外的重大發現。“SKA陣列將成為一個真正意義上具有變革性的科學儀器。我們將得出一系列出人意料的發現。”