為什么我們需要SKA?

SKA是“平方千米（射電望遠鏡）陣列”的簡稱。它并不是一個單獨的巨大口徑的望遠鏡，而是數(shù)千個較小的探測裝置組成的陣列，從而形成一個巨大的信號采集面。這些天線將分布在多個地區(qū)，它們的探測結(jié)果可以匯總起來獲得觀測圖像。由于SKA的分辨率極高，視場巨大，所以它研究的內(nèi)容涵蓋了天文學的所有重大課題，包括恒星和星系的演化、類星體、脈沖星、超新星爆發(fā)、外星生命、暗物質(zhì)和暗能量等。

毫無疑問，SKA將成為地球上又一個科學奇觀。人們所關(guān)心的是，這個巨大的“天眼”會被安放在哪里？最新消息傳來，SKA組織發(fā)布公告稱，SKA項目的大部分，即三分之二的天線將建在南非，還有一部分將建在澳大利亞和新西蘭。SKA建成后將成為世界上最大的射電望遠鏡。

開啟射電窗口

自人類用望遠鏡觀測宇宙以來，在開始的一段時間里一直是在可見光的引導(dǎo)下認識宇宙的。不論是恒星、行星、星云、星團，還是星系，只要有可見光，我們便會找到它們，認識它們。后來，紅外線、紫外線、X射線、伽馬射線等都漸漸地被用來觀測宇宙，這其中還包括無線電波，所以現(xiàn)今的天文學是一種全波段的天文學。全波段天文學中的一扇重要“窗口”是無線電波，它被稱為“射電窗口”，這個窗口的開啟是人類認識宇宙的一件大事，它開創(chuàng)了一門嶄新的射電天文學，為人類展現(xiàn)了一幅與此前完全不同的新宇宙圖景。然而，引發(fā)這一巨大變革的并不是一位天文學家，而是美國貝爾實驗室的一名電器工程師——央斯基。

1931年，央斯基在利用天線研究雷暴天氣如何干擾通訊信號時發(fā)現(xiàn)了一個可能來自宇宙中遙遠天體的干擾源。央斯基的天線設(shè)備很簡陋，但它探測到了天體的無線電信號，因此也就成了世界上最早利用射電波觀測宇宙的天文設(shè)備——射電望遠鏡。

天體究竟有沒有無線電輻射，這在當時是一個問題，因為此前誰也沒有想到它們會發(fā)出強烈的無線電波。許多人對央斯基的發(fā)現(xiàn)持懷疑態(tài)度，但美國的另一位無線電工程師雷伯卻堅信央斯基的發(fā)現(xiàn)是真實的，他在他家的后院也安裝了一個天線，利用這個天線，他證實了央斯基的發(fā)現(xiàn)。這個天線的主體是一個直徑約9米的金屬拋物面，它有點像模像樣了，可以說是人類第一臺真正為天文觀測而制造的射電望遠鏡。射電望遠鏡的成像過程比光學望遠鏡復(fù)雜，它要不停地記錄接收到的數(shù)據(jù)，然后通過對數(shù)據(jù)的處理獲得所觀測天區(qū)的圖像。

如今，80多年過去了，射電望遠鏡也發(fā)生了巨大的改變。為了不斷提高分辨率，人們除了增加射電望遠鏡的口徑外，還發(fā)明了多項關(guān)鍵技術(shù)，包括射電干涉儀、甚長基線干涉儀、“綜合孔徑”系統(tǒng)等。有了這些技術(shù)，人們便可以用布設(shè)射電望遠鏡陣列的方法提高分辨率，還可以把多個地方的射電望遠鏡聯(lián)系起來組成一臺巨型的虛擬望遠鏡，這樣的組合使射電望遠鏡有了不可思議的觀測能力。

1993年，包括中國在內(nèi)的10個國家的天文學家聯(lián)合提議建造一個由3000臺射電望遠鏡組成的巨型射電望遠鏡陣列，其中一半位于中央?yún)^(qū)一個直徑5千米的范圍內(nèi)，其余則從中心向外延伸，排列得像一個伸出“旋臂”的螺旋星系。它是一個射電望遠鏡網(wǎng)絡(luò)，光纜將每個望遠鏡連接在一起，巨型計算機同步處理接收到的數(shù)據(jù)，從而顯示天體的細節(jié)。由于它的接收面積為一平方千米，所以它被人們稱為“平方千米（射電望遠鏡）陣列”（Square Kilometer Array），簡稱SKA。

揭開類星體之謎

SKA毫無疑問是人類的一個雄心勃勃的科學計劃，象征著人類射電天文學輝煌的未來，但它能讓我們看到什么呢？為什么我們需要這樣龐大的設(shè)備？它又將如何改變我們對宇宙的認識？要回答這些問題，我們必須首先知道此前的射電天文學已經(jīng)為我們展現(xiàn)了怎樣的宇宙圖景。

射電望遠鏡出現(xiàn)后，天文學家們發(fā)現(xiàn)了越來越多的有射電輻射的天體，它們被稱為射電源。有些射電源很奇怪，它們看似恒星，但又不是恒星，它們離我們極其遙遠，而且還以極快的速度遠離我們。它們處在如此遙遠的地方卻能被我們探查到，這說明它們具有極高的能量。它們是什么？為什么如此明亮又如此活躍？天文學家們一時找不到答案，于是就把這種奇怪天體稱為類星體。

類星體是一個天文學之謎，即使在今天，我們對它們的認識也只是剛剛有了一點眉目。天文學家大多同意，類星體是活動星系的不可思議的核。所謂活動星系是相對于正常星系而言的。我們的銀河系就是一個正常星系，這種星系很普遍，在人們觀測到的所有星系中占98%，它們的活動已趨于平靜，而活動星系則存在著大規(guī)模的劇烈活動。天文學家們發(fā)現(xiàn)，活動星系的核其實很小，但光度卻大得驚人，乃至于搶奪了天文學家們的所有視線。

活動星系核為什么如此亮呢？現(xiàn)在的解釋是，在活動星系中隱藏著一個高速旋轉(zhuǎn)的“超大質(zhì)量黑洞”，正是這個黑洞使活動星系有了極高的光度。由于黑洞的存在，黑洞周圍呈圓盤狀聚集的氣體和塵埃便爭先恐后地向黑洞的中心墜落，導(dǎo)致活動星系中心部分的物質(zhì)非常密集，溫度極高，能量極大。當物質(zhì)密集到一定的程度，且溫度也升高到一定的程度后，這些密集的物質(zhì)就要尋找逃逸的出口了，于是兩道高能噴射離子流從黑洞的兩端向宇宙空間噴射出來。類星體就這樣被黑洞所“點燃”，它變得極為明亮，所以簡單地說，類星體就是被黑洞“點燃”了的活動星系。

類星體是射電天文學的一個重大發(fā)現(xiàn)，它揭示星系的發(fā)展歷程，因為類星體其實就是正常星系的幼年階段，代表了星系一生中最躁動不安的“青澀”年代。然而射電天文學的貢獻還不只如此，因為它還發(fā)現(xiàn)了射電脈沖星。

發(fā)現(xiàn)脈沖星

在脈沖星被發(fā)現(xiàn)以前，有科學家已經(jīng)預(yù)言了完全由中子組成的致密星——中子星的存在。根據(jù)推算，中子星的密度高得驚人，直徑只有幾十千米，質(zhì)量卻比太陽還要大。

這樣的星是否真的存在？人們一直沒有答案。直到20世紀60年代后期，由于大型射電天文望遠鏡的出現(xiàn)，人們才終于發(fā)現(xiàn)了幾個神秘的射電源，它們都有奇異的快速脈沖輻射，因此叫脈沖星。其中最為人們熟知的是蟹狀星云中的一顆脈沖星，它的脈沖信號以0.033秒為一個周期。

科學家們終于想到了那個預(yù)言，那就是中子星。原來，當一顆有相當質(zhì)量的恒星發(fā)生爆炸時，它的中心部分因反作用力而向內(nèi)壓縮，由此形成的壓力大到足以使電子失去電性而成為中子，于是便誕生了一顆中子星。中子星在體積縮小時轉(zhuǎn)速會加快，同時釋放大量的能量。它的磁軸往往與自轉(zhuǎn)軸有一定的角度，所以當以磁軸為中心的輻射錐掃過地球時，地球上的射電望遠鏡就能收到一個脈沖信號。蟹狀星云中的中子星的脈沖信號以0.033秒為一個周期，表明這顆中子星在以每秒30周的速度自轉(zhuǎn)著。研究顯示，蟹狀星云中的中子星是一顆超新星爆發(fā)的產(chǎn)物。當時，一顆恒星坍縮變成了一顆超新星，蟹狀星云就是那次超新星爆發(fā)留下的殘骸，而那顆中子星則是恒星坍縮后留下的星核。就這樣，射電天文學對脈沖星的發(fā)現(xiàn)和研究證實了中子星預(yù)言的正確性，同時也把恒星的演化過程完整地展示在了人們面前。

探尋宇宙“黑暗時期”

對類星體和脈沖星的發(fā)現(xiàn)，是20世紀60年代射電天文學迅速發(fā)展起來后取得的巨大成就。它的另外兩項重要成就是發(fā)現(xiàn)了宇宙大爆炸的微波背景輻射和彌漫于星際空間的星際分子，尤其是星際有機分子，這為解釋宇宙生命的起源提供了一個嶄新的視角。

現(xiàn)在，讓我們像倒放膠片一樣來回顧一下我們觀測宇宙的歷史吧。開始的時候，我們看到的是現(xiàn)在的宇宙，有璀璨的恒星、星團、星系和星云，還有被它們照亮的行星和衛(wèi)星。再往前，我們看到了它們的演化：超新星爆發(fā)、星系的碰撞和合并，它們在各種波段下向我們展現(xiàn)了令人驚異的壯麗圖景。我們還看到在十分遙遠的地方像焰火一樣照亮宇宙的伽馬射線暴，這是宇宙早期恒星相互碰撞或發(fā)生爆炸所產(chǎn)生的結(jié)果。那些星離我們是如此遙遠，乃至于當年產(chǎn)生的閃光在宇宙中穿行了100億年甚至更長時間后才在今天被我們看到。當然，我們還看到了類星體、發(fā)現(xiàn)了脈沖星和黑洞。至此，我們看到的是一個充滿了光的宇宙。但再往前，當我們的視線延伸到130億年之前時，我們的宇宙忽然倒退到了一個“黑暗時期”，那時宇宙沒有任何發(fā)光天體，唯一的“光源”是正在逐漸降溫的宇宙微波背景輻射。

天文學家們推測，在宇宙的“黑暗時期”，由于引力的不穩(wěn)定性，宇宙中出現(xiàn)了一些“暗暈”，它是暗物質(zhì)聚集的團。“暗暈”吸收普通物質(zhì)，啟動恒星和星系的形成，在星系的產(chǎn)生和發(fā)展中扮演至關(guān)重要的角色。正是暗物質(zhì)的引力引發(fā)了宇宙第一代發(fā)光天體的誕生，產(chǎn)生了最早的恒星和星系。

研究宇宙的“黑暗時期”是現(xiàn)代天文學的一個重大課題。這也是人們對SKA寄予厚望的原因，因為SKA的觀測靈敏度是目前地球上任何射電望遠鏡陣列的50倍，分辨率是后者的100倍，掃描太空的速度是現(xiàn)今在這方面表現(xiàn)最佳的望遠鏡的1萬倍。天文學家們相信，SKA將是史無前例的“時間機器”，它能把我們帶到宇宙大爆炸后的早期宇宙，讓我們研究黑暗時期的宇宙狀態(tài)，包括暗物質(zhì)，暗能量等現(xiàn)代物理學和現(xiàn)代天文學的重大問題。

為黑洞“留影”

SKA還將被用來研究黑洞，這也是現(xiàn)代物理學和現(xiàn)代天文學的另一個“熱點”。黑洞的概念最早是由愛因斯坦的廣義相對論導(dǎo)出的，在隨后的數(shù)十年間又經(jīng)過了大量的觀測和驗證，但人們從來沒有直接看到過黑洞，也沒有拍攝到黑洞的照片。

現(xiàn)在可以基本肯定的是，一個神秘的超大質(zhì)量黑洞就隱藏在銀河系的中心，它的質(zhì)量是太陽質(zhì)量的400萬倍，距離地球約26000光年。科學家們發(fā)現(xiàn)，接近銀河系中心的恒星運行得非常快，這被認為是超大質(zhì)量黑洞存在的有力證據(jù)，因為那些恒星的“反常”行為正是黑洞的引力造成的。

但黑洞不發(fā)光，又如何為它拍照呢？不用擔心，功能強大的射電望遠鏡可以做到。由于黑洞的周圍有旋轉(zhuǎn)下降的物質(zhì)流，它們在墜入黑洞的過程中溫度極高，能量極大，因而能被射電望遠鏡探測到。有了這些能量的數(shù)據(jù)，科學家們便能勾勒出黑洞的外部輪廓，這個輪廓被稱為黑洞的“視界”。假若人們真的得到了“視界”的成像，那么愛因斯坦的廣義相對論就能夠得到驗證。這曾經(jīng)被認為是一個遙不可及的夢想，但現(xiàn)在人們相信，如果有了SKA，再加上與其他望遠鏡，例如正在建設(shè)中的射電望遠鏡陣列ALMA相組合，這個夢想就不難實現(xiàn)。

“小綠人”，你在哪里？

在人們發(fā)現(xiàn)射電脈沖星的時候，還有一個小插曲。開始的時候，面對神秘的射電脈沖信號，科學家們首先想到的并不是中子星，而是“小綠人”，這是人們對外星人的昵稱。這個猜測之所以被推翻，是因為他們又發(fā)現(xiàn)了另外3個也發(fā)射這種脈沖信號的射電源，很顯然，不會有這么湊巧，4個地方的“小綠人”都在以同樣的頻段同時給地球發(fā)信號。

但“小綠人”的假說不合理嗎？也不是。隨著人類對宇宙理解的日益加深，人們越來越覺得，恰恰是那種認為宇宙中除了人類之外不會有其他智慧生命存在的想法才是不合情理的。這一方面是因為人們認識到，宇宙是如此地遼闊，沒有理由認為只有太陽系才能孕育像地球這樣的生命星球，而其他地方就一定不能；另一方面，人們又發(fā)現(xiàn)，生命在宇宙中是很普遍的存在，它們的適應(yīng)能力很強，能在很多連我們都想象不到的地方生長繁衍。假若在我們的地球上，生命能夠從低級進化到高級，進而演化出智能生命，創(chuàng)造出地球文明，那么在其他星球上，同樣的事情為什么就一定不能發(fā)生呢？

這就是為什么許多科學家堅信存在“外星人”并且堅持不懈地尋找它們的緣故，他們還認為，在遼闊的宇宙中尋找智慧生命，最理想的辦法就是利用射電波，因為射電波以光速傳播，效率高，速度快，花費不大，切實可行。1960年，著名的“奧茲瑪計劃”正式啟動，它翻開了人類利用射電望遠鏡搜尋地外文明的嶄新篇章，也標志著“探索地外文明”（SETI）活動的開始，那是人類第一次有目的、有組織地實施尋找“外星人”的計劃。天文學家們使用位于美國西弗吉尼亞的綠岸射電望遠鏡搜索來自宇宙空間的射電信號并企圖從這些信號中發(fā)現(xiàn)有獨特生物學特征的信息。他們還用世界上最大的、直徑305米的阿雷西博射電望遠鏡向銀河系的武仙座球狀星團M13發(fā)送了一次專門針對外星人的射電波。那次發(fā)射的內(nèi)容是一連串數(shù)字，它們構(gòu)成了一幅由1和0組成的電碼圖，其含意包括氫、碳、氮、氧、磷等元素的原子序數(shù)，人類的DNA構(gòu)造，人類的外形和身高，地球在太陽系中的位置等。M13包含幾十萬顆恒星，距地球2.51萬光年，所以這份“電報”大約要在宇宙中“旅行”2.5萬年才能抵達目的地。假若“外星人”收到了這份“電報”并且回復(fù)，那么又需要2.5萬年才能被我們收到。

我們至今尚無法證明任何來自宇宙的射電信號是由地外智慧生物發(fā)射的，難道我們在宇宙中果真是孤獨的？還是我們錯過了什么？要解開這個謎，人類需要有更強大的射電望遠鏡，在這方面，SKA有望有所作為。SKA擁有足夠的靈敏度，在辨別人為產(chǎn)生的無線電信號方面比此前的望遠鏡更勝一籌，所以，也許SKA能告訴我們宇宙中是否真有“小綠人”，從而破解一個困擾人類多年的未解之謎。

SKA的“中國元素”

中國的射電天文學在20世紀80年代后開始有了長足的進步，一些中型射電望遠鏡在射電天文研究和國際合作中起著重要作用，例如上海佘山25米射電望遠鏡和烏魯木齊南山25米射電望遠鏡都是與國際射電望遠鏡聯(lián)網(wǎng)的一流設(shè)備。2003年，我國科學家開始籌劃“宇宙第一縷曙光”探測項目，這個項目的目的是收集宇宙“黑暗時期”氫元素的特殊輻射信號，捕捉宇宙中第一批恒星發(fā)出的光。這個項目又被稱為21CMA，2005年開始投入觀測，它目前是世界上最早開展同類課題研究的唯一大型射電望遠鏡陣列。

中國還正在致力于建設(shè)一架500米口徑的球面射電望遠鏡，簡稱FAST，其口徑將超越美國的阿雷西博射電望遠鏡。FAST的500米口徑反射面由大約1800個六邊形球面單元拼合而成，它像一個巨碗，躺臥在貴州一片喀斯特洼地中。FAST預(yù)計2014年建成，建成后，它將作為世界最大的單口徑望遠鏡沖擊射電天文學最前沿領(lǐng)域的重大課題。

SKA是一個國際合作項目，其參與國已達20個，而中國一開始就是這個項目的倡導(dǎo)者和參與者，今后，中國科學家還將在這個項目中繼續(xù)發(fā)揮作用。按照計劃，SKA第一期300個射電望遠鏡將于2019年投入使用，預(yù)計2024年前后整個項目全部完工，2030年底全面投入使用。

追求真理是人類最可貴的品格，宏偉的“平方千米（射電望遠鏡）陣列”正是新千年人類求知欲和探索精神的象征。它的最大價值就在于，盡管我們的人生短暫，在世至多不過百年，但我們卻能知道130多億年前發(fā)生的事，讓我們思考自然的真相、萬物的道理、宇宙的本源，讓我們了解一切究竟是如何開始的，而這，也正是我們需要SKA的理由。