■ 任秋凌

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

2030年年底投入使用

這個巨型射電望遠(yuǎn)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(dá)到1000米的射電碟形天線，而是由多達(dá)3000個較小的碟形天線構(gòu)成。SKA項目負(fù)責(zé)人理查德·斯基利齊表示：“碟形天線將采用橢圓形設(shè)計，直徑在15米左右，由于造價必須低廉，它們的構(gòu)造較為簡單?！?/p>

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(yuǎn)遠(yuǎn)超過可見光。e-Merlin望遠(yuǎn)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(fù)責(zé)人西蒙·加林頓指出：“為了獲得與先進(jìn)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡同樣的觀測細(xì)節(jié)，需要鏡面直徑100千米的望遠(yuǎn)鏡。很顯然，你不可能建造一架口徑100千米的望遠(yuǎn)鏡，但你可以建造一個望遠(yuǎn)鏡陣列，通過將它們連接在一起達(dá)到同樣的效果?！盨KA的靈敏度將是目前地球上最靈敏的射電望遠(yuǎn)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(jīng)投入15億歐元。這一項目預(yù)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(fù)責(zé)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(qū)。如果建造地附近存在任何強(qiáng)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(jī)信號覆蓋，也不希望周圍有很多人和汽車。我們在進(jìn)行最初的測試時發(fā)現(xiàn)，就算是坐到一把塑料椅上這樣微不足道的事情，也會產(chǎn)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(nèi)，25%位于向外200千米范圍內(nèi)，最后的25%則位于最外部3000千米范圍內(nèi)。根據(jù)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(dá)加斯加、贊比亞、毛里求斯、肯尼亞和加納。根據(jù)澳大利亞的提議，這個陣列將最遠(yuǎn)延伸至新西蘭。競標(biāo)負(fù)責(zé)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(qū)。選擇澳大利亞和新西蘭可以讓望遠(yuǎn)鏡陣列覆蓋5500千米的區(qū)域。”

光纜長度可繞地球二周

SKA陣列的天線包括能夠?qū)o線電波聚集的傳統(tǒng)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(jìn)的電子設(shè)備，將時間間隔以及到達(dá)陣列不同區(qū)域的相同無線電信號等因素考慮在內(nèi)，SKA陣列無須移動便可立即定向。SKA項目籌備階段英國負(fù)責(zé)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(yuǎn)鏡一次觀測不同方向?！拔覀兛梢园凑兆约旱男枰^測很多方向的無線電波，這是一種優(yōu)勢，可以同時進(jìn)行多項實驗。例如，我們可以對一個無線電波進(jìn)行研究，同時對另一個進(jìn)行非常詳細(xì)的觀測?！?/p>

然而，構(gòu)建這樣一個網(wǎng)絡(luò)絕非易事。信號同步精度必須達(dá)到1/108秒，所需光纜數(shù)量也是一個驚人數(shù)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(jìn)行比較。每架望遠(yuǎn)鏡1秒可產(chǎn)生大約20GB數(shù)據(jù)，足以在短短幾分鐘內(nèi)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(shù)據(jù)處理能力，根據(jù)我們的估計，只有世界上最強(qiáng)大的超級計算機(jī)才能勝任這項工作。”

解答一系列科學(xué)疑問

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

SKA項目科學(xué)家、美國航空航天局噴氣推進(jìn)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(fā)現(xiàn)，即發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)人為產(chǎn)生的無線電信號，進(jìn)而找到一些距離我們最近的恒星系統(tǒng)內(nèi)的類地行星。也許在50年內(nèi)，我們便可發(fā)現(xiàn)另一個在科技方面與我們相當(dāng)接近的文明?！?/p>

現(xiàn)在，SKA項目的國際籌劃指導(dǎo)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(yù)料內(nèi)和預(yù)料外的重大發(fā)現(xiàn)?！癝KA陣列將成為一個真正意義上具有變革性的科學(xué)儀器。我們將得出一系列出人意料的發(fā)現(xiàn)?！?/p>