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來源：互聯(lián)網(wǎng)

平方公里陣列射電望遠鏡（英文名：Square Kilometre Array，簡稱：SKA）是由全球超過10個國家合資建造的綜合孔徑射電望遠鏡陣列。項目總部設在英國，觀測設施分布在澳大利亞和南非及其周邊8個國家的無線電寧靜區(qū)。

2000年，開啟SKA望遠鏡選址過程，委員會最終決定澳大利亞和南非進入候選名單，2011年11月，中國與澳大利亞、南非、英國、法國、荷蘭、意大利等國在羅馬共同創(chuàng)建了國際SKA組織，2019年3月12日，來自15個國家的部長、大使及高級代表齊聚羅馬。中國（由科技部張建國副部長代表）與澳大利亞、意大利、荷蘭、葡萄牙、南非、英國共七國政府首批簽署了SKA天文臺公約。SKA的建設于2021年7月啟動，計劃到2028年完成第一階段，即SKA1，屆時達到總規(guī)模的10%。SKA的建成標志著天文學領域的一次重大變革，它能夠全面、深入地探索宇宙的演化規(guī)律，預期會孕育出重大的科學發(fā)現(xiàn)和技術突破。

SKA由約2500面直徑15米的碟形天線（高頻）、250個直徑約60米的致密孔徑陣列（中頻）和130萬個對數(shù)周期天線組成的稀疏孔徑陣列（低頻）構成，覆蓋50MHz至20GHz的頻率范圍。這個射電望遠鏡陣列的等效接收面積達到平方公里級別，會成為世界上最大的射電望遠鏡。

SKA的建設和運行不僅是天文學的一次飛躍，也是國際合作的典范，展現(xiàn)了多國共同努力解決人類共同面臨的科學問題的精神。隨著SKA的逐步建成，預計為人類帶來對宇宙更深層次的理解和認識。

歷史沿革

建設背景

二十世紀九十年代初，包括中國在內(nèi)的十個國家共同發(fā)起了建造SKA的倡議（當時稱為LT，即LargeTelescope。SKA的名字是后來才有的）——在地球射電天文環(huán)境被毀滅之前，全球合作建造大型射電望遠鏡，探測遙遠宇宙。

前期準備

選址

國際上共有中國、澳大利亞、南非、阿根廷四個候選國競爭SKA臺址。2006年7月，經(jīng)過為期三天激烈的競爭，國際SKA推進委員會對四國進行了詳細評估，排序依次為：澳大利亞、南非、中國、阿根廷。2006年9月，委員會最終決定取前兩名澳大利亞和南非進入短名單（shortlist），中國競爭SKA臺址的努力報憾未能成功。

創(chuàng)建國際SKA組織

2011年11月，中國與澳大利亞、南非、英國、法國、荷蘭、意大利等國在羅馬共同創(chuàng)建了國際SKA組織，SKA辦公室的工作人員（當時只有11人）從曼徹斯特大學校園的臨時辦公室搬到了英國曼徹斯特大學所屬的JodrellBank天文臺，開啟了SKA的建設準備階段。當時中國科學院國家天文臺代表中國參加SKA。一年后，科技部正式代表中國參加SKA組織并負責中國的SKA計劃。2015年4月確定英國為SKA永久總部國，SKA全球總部位于英國曼徹斯特大學所屬的JodrellBank天文臺，并對此進行擴建。

開始建設

2019年3月12日，來自15個國家的部長、大使及高級代表齊聚羅馬。中國（由科技部張建國副部長代表）與澳大利亞、意大利、荷蘭、葡萄牙、南非、英國共七國政府首批簽署了SKA天文臺公約。公約的簽署，標志著SKA組織正式開啟向政府間國際組織（Inter-GovernmentalOrganisation，IGO）過渡的進程。

2021年1月15日SKA天文臺正式成立，2021年2月3日至4日，正式啟動在新成立的SKAO理事會第一次會議上。7月，SKA天文臺啟動望遠鏡建設工作，SKA由此正式步入建設階段。

2022年7月26日，天文學家最新發(fā)明一種方法“透視”早期宇宙的迷霧，這樣便于探測到宇宙早期恒星和星系釋放的光線。觀察這些宇宙初期恒星形成是科學家長期以來的一個目標，因為這將有助于解釋宇宙是如何從大爆炸后的虛無境地演變成138億年后現(xiàn)今觀察到的復雜宇宙，這是詹姆斯·韋伯空間望遠鏡太空望遠鏡和平方公里陣列射電望遠鏡(SKA)的主要勘測任務之一。2024年10月，中國暗能量探測天籟項目正式加盟國際大射電天文臺SKA探路者集團。

基本原理

射電望遠鏡就是探測射電波段的理想設備，主要由3部分組成:收集射電波的定向天線，放大射電信號的高靈敏度接收機以及信息記錄、處埋系統(tǒng)，射電望遠鏡的工作原理類似于光學反射望遠鏡，天體輻射的電磁信號被望遠鏡的精確鏡面反射后，同相位到達公共焦點，被高靈敏度接收機接收并放大，送入數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進行分析。

設計與結構

陣列站址

澳大利亞的候選臺址位于其西部，距離米卡薩拉（Meekatharra）大約100公里，南非候選站址位于北開普省的卡魯盆地，距離卡那封（Carnarvon）大約95公里，部分天線位于博茨瓦納、納米比亞、莫桑比克、馬達加斯加、毛里求斯、肯尼亞、加納等周邊國家。

蝶形天線陣

碟形天線陣包括3000多個15m口徑的碟形天線，其中第一期先建250個。觀測頻率為300MHz-10GHz，包括0.45-1GHz和1-2GHz兩個單像素雙極化饋源/接收機系統(tǒng)，但以后也有可能采用PAF多像素饋源。天線反射面精度則按10GHz觀測要求設計，以便在未來可以用于高頻觀測。第一期中大約一半的天線分布在半徑0.5km的區(qū)域，構成一個高覆蓋率的核心，約1/5的天線分布在半徑為0.5-2.5km的內(nèi)圈，其余則5個一組，分布在半徑為2.5-100km的外圈，以提供較長的基線。

低頻孔徑陣

低頻孔徑陣工作頻率為70-450MHz，總共包括250個基站，其中第一期包括50個基站，每個基站包括11200個雙極化振子天線，這些天線接收的信號在每個基站合成為480個波束。與中頻陣類似，其中一半的天線分布在半徑0.5km為的核心內(nèi)，約1/5的天線分布在1-2.5km的內(nèi)圈，其余則分布在半徑為2.5-180km的范圍內(nèi)。

數(shù)據(jù)傳輸與處理

SKA項目同時在澳大利亞和南非建設，所有觀測儀器分布在半徑約3000公里的地理圈內(nèi)，相互之間采用極高性能的計算引擎和超寬帶連接，并設有處理大量數(shù)據(jù)的“大腦”。這個射電天文望遠鏡的超大集群，全部反射鏡面對宇宙信號的接收面積總計達1平方公里，擁有史上最高的圖像分辨率，靈敏度高于任何現(xiàn)存射電望遠鏡50倍以上，并能以高出1萬倍的掃描速度完成中國空間站工程巡天望遠鏡掃視，發(fā)現(xiàn)遙遠無邊的空間盡頭，解答宇宙起源和演化的基本問題。

SKA設計

第一階段的SKA將由兩臺望遠鏡組成：SKA-Low和SKA-Mid。

SKA-Low將覆蓋50-350MHz的頻率，使用分組到站（孔徑陣列）的對數(shù)周期偶極子天線，SKA-Mid將覆蓋0.35-15.4GHz，使用偏置格里高利碟形天線。

每個望遠鏡由一個~1-2公里大小的致密核心組成，包含~50%的站點/培養(yǎng)皿，其余受體沿3個螺旋臂對數(shù)放置。致密的磁芯為低亮度的擴展區(qū)域以及脈沖星和瞬態(tài)觀測提供了出色的靈敏度，而3臂螺旋提供了基線的無刻度分布，因此在一系列角度尺度上具有均勻的靈敏度和出色的（u，v）覆蓋范圍。

數(shù)組布局

SKA-低

SKA-Low將由131，072個對數(shù)周期偶極子天線組成，分布在512個孔徑陣列站，每個站有256根天線。它將位于西澳大利亞州的默奇森射電天文臺（InyarrimanhaIlgariBundara）。大約50%的站點將位于直徑為1公里的核心范圍內(nèi)，其余站點以6個站點為一組，以三個螺旋臂為對數(shù)間隔。最大基線長度約為75公里。

SKA-中路

SKA-Mid將包括位于南非北開普省卡魯射電天文保護區(qū)的133個15米SKA天線和64個13.5米貓鼬天線。核心將由大約50%的菜肴組成，隨機分布在2公里范圍內(nèi)。其余碟形天線在三個螺旋臂上以對數(shù)間隔，提供150公里的基線。

頻帶

SKA-Low只有一個頻段，而SKA-Mid最初部署了4個頻段（“第一代”，頻段1、2、5a、5b）。對于SKA-Mid，頻段3和4是設計基線的一部分，但在資金到位之前不會部署。

國際合作

參與國家

來自16個國家/地區(qū)的組織在政府或國家協(xié)調(diào)層面參與SKA項目，或以觀察員身份參與SKA項目，包括澳大利亞、加拿大、中國、法國、德國、印度、日本、意大利、荷蘭、葡萄牙、南非、韓國、西班牙、瑞典、瑞士和英國。八個非洲國家參與了協(xié)調(diào)行動，以支持SKA項目在非洲的未來擴展。

國際組織

來自約20個國家/地區(qū)的約100個組織參與了SKA項目的設計和開發(fā)，包括望遠鏡的詳細設計。

合作模式與成果

合作模式

在科技部的領導下，中國國家遙感中心（NRSCC）一直設立SKA中國辦公室，負責管理中國國家SKA計劃，以履行中國對SKAO的承諾，參與天文臺的治理，提供商定的貢獻，并組織和協(xié)調(diào)與SKA相關的研發(fā)活動。

中國工業(yè)界和科學界參與了多個SKA國際設計聯(lián)盟的工程設計和開發(fā)工作，包括領導Dish聯(lián)盟，以及多個SKA科學工作組的早期研究工作。

成果

再電離 Eoch 的深度成像

憑借其前所未有的高靈敏度和角分辨率，SKA1-low 將成為世界上唯一的射電望遠鏡，用于在再電離（EoR）時期對電離結構進行斷層掃描成像。中國 EoR 團隊由Cathie Zheng 博士在上海天文臺，將專注于在 100-200 MHz 頻率范圍內(nèi) 20 平方度的目標區(qū)域內(nèi)對 1000 小時的積分時間進行深度觀測。將開發(fā)許多最先進的技術和算法來控制和減少各種系統(tǒng)誤差，例如校準不準確、儀器偽影、天空建模不良、混淆限制等。

脈沖星搜索、計時和測試基本物理定律

脈沖星的高靈敏度觀測，包括使用 SKA1 進行搜索和授時，將使我們能夠測試極端物理條件下電磁、弱、強和引力相互作用的基本規(guī)律。特別是，使用 SKA 對脈沖星時間陣列進行常規(guī)觀測有助于構建納赫茲引力波天文臺。中國脈沖星團隊由李可佳博士將在 SKA1 運行之前與中國的 SKA 探路者集團 500米口徑球面射電望遠鏡演示可行性。

中性氫巡天和宇宙學

SKA1-mid 望遠鏡對中性氫（HI）的高精度觀測將繪制大尺度結構圖，為解決現(xiàn)代宇宙學中的基本問題提供關鍵信息，包括暗能量和暗物質(zhì)的性質(zhì)、宇宙的起源，以及獲得關于星系演化的新見解。中國宇宙學團隊將利用中國 SKA 探路者天來實驗，測試 HI 星系和強度映射觀測和校準的關鍵技術，并在 SKA1 交付前開發(fā) HI 數(shù)據(jù)分析的新方法和算法。

宇宙磁場

使用 SKA1 進行的寬帶極化中國空間站工程巡天望遠鏡將獲得 2-300 萬個星系外源的旋轉測量值，這將使我們能夠了解 pc 到 Mpc 尺度的宇宙磁場。中國漫畫磁場研究團隊將利用 500米口徑球面射電望遠鏡和其他 SKA 探路者的極化觀測，專注于銀河系、AGNs 和宇宙大尺度結構中的磁場，旨在使用 SKA1 和未來的全 SKA 構建宇宙中磁場的 3D 圖片。

銀河系和星際介質(zhì)

SKA 的高靈敏度和分辨率將使我們能夠通過追蹤中性氫云、恒星形成區(qū)域、HII 區(qū)域和超新星殘骸，以前所未有的發(fā)射和吸收細節(jié)繪制銀河系。中國 ISM 團隊將進一步研究星際介質(zhì)的生命周期：彌散的原子云如何演變成分子云、恒星，最后演變成死星的殘余物。

宇宙中的爆發(fā)

SKA1 的研究將致力于精確定位眾多快速射電暴（FRR），然后使用 FRBS 繪制其傳播路徑上的等離子體含量，追溯宇宙演化歷史，并探測強引力/磁場甚至新物理學下的基本物理過程。由于其前所未有的高靈敏度，SKA1 將極大地幫助擴展 FRB 的檢測范圍。將提前使用中國的 SKA 探路者集團 500米口徑球面射電望遠鏡來證明檢測高紅移 FRB 的可行性。

活躍的銀河核（AGN）反饋和黑洞

中國研究團隊將利用 SKA1 的高靈敏度和角分辨率來觀察低光度 AGN 發(fā)射的流出及其與宿主星系中星際介質(zhì)的相互作用，以及具有各種 AGN 活動的星系中的中性氫。后者包括總質(zhì)量、空間分布和速度場。結合觀測和數(shù)值模擬，中國團隊將能夠顯著加深我們對 AGN 反饋在星系演化中的作用的理解。

星系動力學和星系演化

SKA1 將首次能夠提供與光學望遠鏡相當?shù)母呖臻g分辨率的中性氫圖像。中國研究團隊將利用 SKA1 及其探路者對大樣本星系進行深中性氫成像觀測，以系統(tǒng)研究冷氣體在不同類型星系中的分布和動態(tài)結構，了解環(huán)境對星系演化的影響，為星系演化模型提供觀測約束，并揭示了中性氫在星系形成和演化中的作用。

生命的起源

SKA1-low1 將為研究生命起源（OoL）提供前所未有的機會。中國 OoL 團隊將通過數(shù)值模擬和實驗研究量化 OoL 場地的物理和化學條件，并評估 500米口徑球面射電望遠鏡作為 SKA1 探路者在探測太陽系外行星磁場和尋找地外智能信號方面的可行性。

?超高能宇宙射線的起源

SKA1-low 將提供一個獨特的機會，使用射電測量以高精度研究宇宙射線（CR），使我們能夠解決從銀河系到銀河系外 CR 過渡的令人費解的問題。中國 CR 團隊已經(jīng)開展了對 GRAND 等高能 CR 進行無線電探測的原型實驗，開發(fā)了識別和重建由 CR 引起的傾斜風陣的算法。該團隊還將使用 FAST 搜索 Askaryan 無線電脈沖，這可能是 SKA 最具挑戰(zhàn)性的項目之一。

項目總部

總部在曼徹斯特大學所屬的JodrellBank天文臺。

挑戰(zhàn)與突破

SKA的建設挑戰(zhàn)主要體現(xiàn)在其龐大的規(guī)模和技術復雜性上。SKA由分布在3000公里基線內(nèi)的大量天線組成，有效接收面積達1平方公里，這使得它成為世界上最大的綜合孔徑射電望遠鏡。SKA的數(shù)據(jù)處理能力也是一個巨大的挑戰(zhàn)，它每秒將產(chǎn)生TB量級的數(shù)據(jù)，這對現(xiàn)代科學技術提出了跨越式的要求，傳統(tǒng)算法和軟件已無法滿足其海量數(shù)據(jù)處理的需求，因此必須采用自動化的分析處理方法。此外，SKA的數(shù)據(jù)量甚至可能超過目前全球互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)流量總和，這對數(shù)據(jù)存儲和處理提出了更高的要求。

盡管面臨這些挑戰(zhàn)，SKA項目也取得了顯著的突破。例如，上海天文臺SKA團隊依托中國SKA區(qū)域中心原型機，在SKA數(shù)據(jù)處理和科學應用方面取得了多項具有國際影響力的成果。此外，SKA的高靈敏度和超高分辨率使其能夠探測到過去無法被發(fā)現(xiàn)的極微弱信號，例如銀河系內(nèi)的3萬顆脈沖星基本上都可以被探測到。SKA還具備毫角秒級的超高空間分辨本領，遠超哈勃空間望遠鏡。

清華大學副教授安海鵬、紫金山天文臺研究員黃曉淵、北京大學研究員劉佳等在暗物質(zhì)物理研究方面取得了重要進展。研究團隊發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的低頻陣列射電望遠鏡（LOFAR）、正在建設的平方千米陣列射電望遠鏡（SKA），以及“500米口徑球面射電望遠鏡”五百米口徑球面射電望遠鏡（FAST）可以超過背景輻射的限制，以更高的靈敏度和更寬的質(zhì)量范圍探尋暗物質(zhì)。相關研究成果以《利用射電望遠鏡直接探測暗光子暗物質(zhì)》為題于發(fā)表在《物理評論快報》。

價值意義

科學探索獎能力：SKA是截至2024年世界上最大的射電望遠鏡，其靈敏度和中國空間站工程巡天望遠鏡速度將比現(xiàn)有的最大射電望遠鏡提高約50倍和10000倍。它將能夠探測到過去無法被探測到的極微弱信號，例如銀河系內(nèi)的脈沖星，這將極大地擴展人類對宇宙的認知。

技術推動

SKA是一個國際大科學工程，由全球多個國家或地區(qū)共同出資建造和運行，這不僅促進了國際科技合作，還推動了相關技術的發(fā)展。中國在該項目中也扮演了重要角色，并通過參與SKA項目提升了自身的科研水平。

國際合作典范

中國科學家認為，SKA是中國參加的天文領域最大國際合作項目，為中國射電天文學實現(xiàn)從跟跑到并跑、領跑創(chuàng)造了難得的機遇。對SKA數(shù)據(jù)處理問題的解決有助于帶動相關產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，甚至引發(fā)革命性變化。除了天文學，SKA將對諸如計算機科學、信息學、電子學等領域帶來極大的促進作用。

未來發(fā)展

SKA項目的第一階段（SKA1）計劃于2021年開始建設，并預計在2028年完成第一階段建設任務。具體來說，到2025年前，將建成8只碟型天線和18個低頻工作站；到2026年初，將建成64只碟型天線陣列和64個低頻工作站；到2027年，將建成133只碟型天線。

SKA項目的第二階段建設將在第一階段完成后繼續(xù)進行，預計整個項目將在2029至2030年間完成。

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