開辟人類認(rèn)識(shí)宇宙新紀(jì)元

武向平

在澳大利亞和非洲，包括中國在內(nèi)的十多個(gè)國家的科技工作者正聯(lián)合起來，為建造下一代超級(jí)射電望遠(yuǎn)鏡（即SKA）做準(zhǔn)備。這將是人類有史以來建造的最龐大的天文觀測(cè)設(shè)備，也是中國參加的第二大國際合作大科學(xué)工程。它匯集了人類在天文學(xué)、無線電、信息、通訊、計(jì)算機(jī)、機(jī)械制造等諸多領(lǐng)域的最新科技成果，將主導(dǎo)未來射電天文學(xué)50年的發(fā)展，有望催生多項(xiàng)重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)，對(duì)自然科學(xué)和人類文明作出劃時(shí)代的、革命性的貢獻(xiàn)。

人類有史以來最龐大的天文設(shè)備

下一代射電望遠(yuǎn)鏡——平方公里陣列射電望遠(yuǎn)鏡（Square Kilometre Array，SKA）是人類有史以來建造的最龐大的天文設(shè)備，將開辟人類認(rèn)識(shí)宇宙的又一新紀(jì)元。SKA集傳統(tǒng)射電天文干涉技術(shù)和現(xiàn)代相控雷達(dá)技術(shù)為一體，體現(xiàn)諸多當(dāng)代科學(xué)技術(shù)的最新和最高成就。

SKA由大量小單元天線（2500面15米口徑的蝶形天線，250個(gè)直徑為60米的致密孔徑陣和130萬只對(duì)數(shù)周期天線）組成，匯集形成巨大的接收面積，從而獲得極高的靈敏度，將以千公里的基線獲得極高的空間分辨率，將以納秒級(jí)的采樣獲得精細(xì)的時(shí)間結(jié)構(gòu)，將以10Pb/s的速率產(chǎn)生超越目前全球互聯(lián)網(wǎng)總量的大數(shù)據(jù)，帶動(dòng)E級(jí)計(jì)算、通信和存儲(chǔ)的技術(shù)革新。大視場(chǎng)、多波束、高動(dòng)態(tài)、高分辨、大數(shù)據(jù)等一系列新概念催生的SKA，將顛覆射電天文學(xué)的傳統(tǒng)研究手段，給天文學(xué)研究帶來革命性和全新的理念。

SKA將分別在澳大利亞和南非+非洲8國兩個(gè)臺(tái)址分階段進(jìn)行建設(shè)，總部設(shè)在英國。SKA第一階段（SKA1）約建造10%的SKA，2019年開始建設(shè)，5年完成。第二階段（SKA2）建設(shè)其余部分的SKA，預(yù)計(jì)2030年完成。SKA1將只建設(shè)反射面天線陣（中高頻）和低孔徑陣，致密孔徑陣（中頻）可能放到SKA2階段進(jìn)行建設(shè)。

SKA具有更高的靈敏度、更大的視場(chǎng)、更高的頻率和空間分辨率、更高效的巡天能力，以克服單

將開辟人A類認(rèn)識(shí)宇宙的新紀(jì)元

SKA將揭示宇宙中誕生的第一代天體，重現(xiàn)宇宙從黑暗走向光明的歷史進(jìn)程；SKA將以宇宙最豐富的元素氫為信使，精確繪制宇宙最大的三維結(jié)構(gòu)圖像，檢驗(yàn)暗物質(zhì)和暗能量的基本屬性，有助于驅(qū)散籠罩在21世紀(jì)自然科學(xué)上空的兩朵烏云；SKA將發(fā)現(xiàn)銀河系幾乎所有的脈沖星，并有望發(fā)現(xiàn)第一個(gè)黑洞—脈沖星對(duì)，對(duì)引力理論做精確的檢驗(yàn)；SKA將對(duì)數(shù)百顆毫米脈沖星精準(zhǔn)測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)來自超大質(zhì)量黑洞的引力波；SKA將重建宇宙磁場(chǎng)的結(jié)構(gòu)，

風(fēng)險(xiǎn)與挑戰(zhàn)并存

我們也清楚地意識(shí)到，作為國際天文學(xué)界史無前例的革命性大科學(xué)裝置，SKA1在設(shè)計(jì)、建設(shè)、技術(shù)、科學(xué)、運(yùn)行和管理等諸多方面也面臨巨大風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)。

第一，高額的建造費(fèi)用使得SKA1不斷修訂基線和緊縮預(yù)算，目前依舊存在20%的資金缺口，尚無有效的解決方案。加之各國出資比例遠(yuǎn)未定型，有可能會(huì)造成SKA1談判的艱巨性，導(dǎo)致建設(shè)的進(jìn)一步延誤。

第二，因?yàn)榻ㄔO(shè)時(shí)間多次推遲，給其他一些類似天文觀測(cè)設(shè)備，如美國瞄準(zhǔn)宇宙再電離探測(cè)的HERA望遠(yuǎn)鏡陣贏得了充足的時(shí)間，SKA1設(shè)定的一些有限科學(xué)目標(biāo)可能失去先進(jìn)性和科學(xué)價(jià)值。

第三，中國SKA科學(xué)團(tuán)隊(duì)目前還沒有完全掌握SKA的關(guān)鍵數(shù)據(jù)處理技術(shù)，如干涉陣高動(dòng)態(tài)成圖、多波束成像和低頻脈沖星尋找等，缺少自主射電干涉天文軟件，將在國際競(jìng)爭(zhēng)中處于極其不利的低位，影響既定科學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

第四，SKA1觀測(cè)運(yùn)行機(jī)制尚未確立，中國SKA科學(xué)團(tuán)隊(duì)能否領(lǐng)先或主導(dǎo)SKA1一些首要科學(xué)任務(wù)還不清楚。

中國作為SKA主要成員國之一，將以大國風(fēng)范和責(zé)任以及對(duì)卓越科學(xué)目標(biāo)勢(shì)在必得的追求，在其中發(fā)揮越來越重要的作用，并獲得豐厚的科學(xué)回報(bào)。參加SKA將是中國天文學(xué)發(fā)展的里程碑，經(jīng)過充分準(zhǔn)備的中國SKA團(tuán)隊(duì)會(huì)肩負(fù)時(shí)代重任，迎難而上、不負(fù)使命、迎接挑戰(zhàn)，在探索未知和神秘的宇宙中創(chuàng)造奇跡、鑄造輝煌。