□中國科學(xué)院國家天文臺 喻業(yè)釗 劉麗佳 柴曉明 彭勃

中國發(fā)起并全程參與SKA的追夢之旅

□中國科學(xué)院國家天文臺 喻業(yè)釗 劉麗佳 柴曉明 彭勃

SKA，中文全稱平方千米射電望遠(yuǎn)鏡陣，是國際上多個國家擬共同建設(shè)中的一個大型射電望遠(yuǎn)鏡陣列項目。從項目提出伊始，中國天文學(xué)家就參與其中，到如今已是23個年頭了。近來頻繁出現(xiàn)在公眾視野中的貴州FAST——500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡，也正是在中國參與SKA項目的過程中孕育出來的。今天，就讓我們來了解一下中國射電天文學(xué)家這23年的追夢之旅，以及FAST與SKA的不解之緣。

時間要回到1993年，在京都，第24屆國際無線電科學(xué)聯(lián)盟大會正在舉行。會上包括中國在內(nèi)的來自10個不同國家的天文學(xué)家共同聯(lián)合發(fā)起一個倡議：為了在人類徹底破壞地球電磁環(huán)境之前，仔細(xì)地在射電波段好好看一眼宇宙的模樣，我們要攜起手來，建造一個接收面積達(dá)到一平方千米的射電望遠(yuǎn)鏡陣列。這個計劃，就是現(xiàn)在正在進(jìn)行中的平方千米陣計劃，一般我們用其英文縮寫名稱稱呼它——SKA。

KARST計劃在貴州省遴選到的部分候選站址。圖中圓點標(biāo)志出了候選臺址，不同顏色代表不同的山峰數(shù)目，例如：紫色表示該洼地由3個山峰環(huán)抱而成。

提出SKA計劃之后，各國紛紛給出自己的技術(shù)方案。這些方案基本分為兩種：以荷蘭、美國為代表的大數(shù)量、小天線（Large Number Small Diameter）方案，又稱LNSD方案；以中國、加拿大為代表的大天線、小數(shù)量（Large Diameter Small Number）方案，又稱LDSN方案。中國在1994年就提出自己的實現(xiàn)方案，叫KARST（Kilometer-square Area Radio Synthesis Telescope）。KARST方案計劃利用中國云貴高原上天然的喀斯特洼地，建設(shè)30個有效口徑200米的大望遠(yuǎn)鏡，組成一個射電綜合孔徑陣列。是的，大家沒看錯，天文學(xué)家們曾經(jīng)有段時間想在貴州建30個縮小版的FAST望遠(yuǎn)鏡！30個??！

中國要建的這個望遠(yuǎn)鏡這么大，在世界上都沒有先例，工程上是否真的可以實現(xiàn)？這個問題需要天文學(xué)家來解答。1994年，天文學(xué)家提出KARST方案時就指出了利用貴州天然喀斯特洼地群的想法；1995年，西安電子科技大學(xué)提出饋源索驅(qū)動概念，進(jìn)一步增強(qiáng)了KARST的可行性；1996年，為了增強(qiáng)KARST方案在國際的競爭力，北京天文臺提出建設(shè)KARST先導(dǎo)單元的想法，即先造出一個大天線出來證明我們的想法是可行的；1997年，北京天文臺（現(xiàn)國家天文臺總部）提出主動反射面概念，至此FAST概念完全建立。1998年，F(xiàn)AST概念正式在國際上宣講并得到廣泛關(guān)注。2000年2月，在慕尼黑國際光電工程學(xué)會大會上，F(xiàn)AST被公認(rèn)為未來世界第一大單天線。

早期KARST先導(dǎo)單元FAST設(shè)計概念圖，當(dāng)時還是球面鏡加線饋源方案。圖中涵蓋了FAST三大自主創(chuàng)新：喀斯特洼地作臺址、索驅(qū)動概念（當(dāng)時是3塔支撐，現(xiàn)在為6塔）和主動反射面。（圖片來源：北京天文臺與中科院遙感所共同繪制）

KARST方案在不斷地推進(jìn)著，30個大望遠(yuǎn)鏡要放哪里？怎么放？都需要細(xì)致的研究。為了給這30個望遠(yuǎn)鏡找到家，1994年8月，國家天文臺聯(lián)合中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所開始在貴州展開臺址考察和無線電環(huán)境監(jiān)測。1995年發(fā)表了國際上的第一篇SKA臺址無線電頻率干擾RFI(Radio Frequency Interference)監(jiān)測報告。1996年初，在英國曼徹斯特召開的高靈敏度射電天文大會上，中國發(fā)表了約400個洼地臺址的數(shù)據(jù)庫及對部分臺址RFI監(jiān)測結(jié)果。

早期的Y字形陣列排布方案

后期使用優(yōu)化算法得到的隨機(jī)型陣列排布方案(Su Yan et al. 2004)。其中小點代表候選臺址，圓圈指示出篩選出來的臺址。

對于怎么安放這30個望遠(yuǎn)鏡，1993年，大家初步考慮使用Y字形陣列。陣列中心是由多個望遠(yuǎn)鏡組成的直徑50千米的圓形致密中心陣，再由這個中心陣往外延伸出三個臂，每個臂排布兩個望遠(yuǎn)鏡，整個陣列直徑達(dá)到300千米。這樣的陣列形式比較簡單。后來，科學(xué)家們覺得應(yīng)該結(jié)合實際臺址情況優(yōu)化出一個更好的排列形式，于是設(shè)計了一種“篩選法”，通過設(shè)置一些限制條件，用計算機(jī)在288個候選臺址中篩選出了30個臺址，作為一種優(yōu)化的陣列排布方案。

FAST概念圖位于設(shè)計方案排行榜榜首

中國的射電天文學(xué)家們?yōu)榱税延H兒子KARST給推銷出去，可謂是費盡苦心啊！而努力總是有回報的。FAST作為KARST的先導(dǎo)單元很快在1999年便得到中國科學(xué)院的支持，從概念預(yù)研轉(zhuǎn)入實驗研究階段。第二年，在曼徹斯特國際天文聯(lián)合大會上，包括中國在內(nèi)的10個國家宣布成立國際SKA執(zhí)行委員會，全面推進(jìn)SKA國際合作。當(dāng)時報紙上報道了這一喜訊，并同時公布了當(dāng)時5種技術(shù)方案的排行榜。在這一排行榜中，中國KARST方案名列榜首。

2004年，中國順利入選為4個SKA臺址候選國之一，開展了SKA臺址選址報告的準(zhǔn)備，以及對候選臺址核心區(qū)、中央?yún)^(qū)和邊遠(yuǎn)區(qū)的無線電環(huán)境監(jiān)測。2005年，國際SKA電波環(huán)境監(jiān)測小組對候選臺址國分別開展了6-8周校準(zhǔn)監(jiān)測。但到了2006年，澳大利亞-新西蘭方案和南非-非洲8國方案被優(yōu)選出來，中國KARST方案無緣繼續(xù)參與國際競爭。

中國KARST方案之所以落選，主要是因為SKA提出以來10多年間，科學(xué)技術(shù)飛快發(fā)展，SKA的科學(xué)與技術(shù)目標(biāo)也隨著不斷升級，其觀測頻率上限從最初的1.4吉赫茲提高到了現(xiàn)在的20吉赫茲以上，最遠(yuǎn)的兩個望遠(yuǎn)鏡之間的距離從300千米提升到3000千米。對于中國KARST方案來說，貴州當(dāng)?shù)囟嘤甑奶鞖鉅顩r難以支持10吉赫茲以上的觀測，且貴州的喀斯特地貌范圍無法承載延伸3000千米遠(yuǎn)的陣列，無奈只能作罷。

不過中國的射電天文學(xué)家們并沒有就此氣餒，KARST沒了，F(xiàn)AST還在呢！這不？FAST這個龐然大物已然矗立在貴州的大山之中了。與此同時，中國人也沒停止參與國際共建SKA的步伐。

SKA澳大利亞-新西蘭臺址（上）與南非-非洲8國臺址（下）。圖中每個紅點都表示一個由多臺望遠(yuǎn)鏡組成的小陣列，所有紅點共同組成SKA陣列。（圖片來源：上圖http:// theconversation.com/australias-bid-forthe-square-kilometre-array-an-insidersperspective-4891 ；下圖http://www. digitaljournal.com/image/84909 ）

國際共建的SKA涉及多項關(guān)鍵技術(shù)，現(xiàn)有的技術(shù)不能滿足需求，需要集合世界上眾多優(yōu)秀科學(xué)家和工程師來共同努力進(jìn)行攻關(guān)。就拿天線技術(shù)來說，SKA需要有2500面口徑15米的天線，分布在大約3000千米范圍的荒漠上。SKA的高性能要依靠單個天線的性能做保證。當(dāng)然，除了性能要求高之外，還要考慮成本問題。天線數(shù)量如此龐大，制造、裝配、運輸?shù)鹊谋憬菪院偷统杀臼菙[在工程師面前的一個難題，而且可靠性要求很高，想象一下，在廣闊無垠的荒漠上開著二戰(zhàn)時代的柴油吉普車（柴油車能避免對正在觀測中的望遠(yuǎn)鏡產(chǎn)生干擾）到達(dá)壞掉的天線去維修是多么困難啊。

FAST工程全貌（拍攝于2016年7月3日）（圖片來源：FAST工程官網(wǎng) http://fast.bao. ac.cn/upfile/photo/FAST-pic2.html#p=0 ）

星空下的FAST（圖片來源：彭冠辰攝于2016年8月29日）

從2008年開始，國家天文臺聯(lián)合中國電子科技集團(tuán)第54研究所，對SKA天線的概念進(jìn)行設(shè)計，并在2011年加拿大召開的SKA天線概念設(shè)計評審會上，提出了兩種天線方案DVAC-1和DVAC-2。DVAC是英文Dish Verification Antenna China的縮寫，中文意思即“中國碟形驗證天線”。DVAC-1是現(xiàn)在SKA天線樣機(jī)的第一版，2013年從概念設(shè)計進(jìn)入詳細(xì)設(shè)計，通過各項技術(shù)攻關(guān)，于2014年8月份完成整體安裝，這便是中國版的SKA碟形驗證天線（如今改名為DVA-C）。DVAC-2是中國設(shè)計制造的另一款望遠(yuǎn)鏡，成功應(yīng)用于澳大利亞SKA的先導(dǎo)項目——ASKAP望遠(yuǎn)鏡陣列上。澳大利亞的ASKAP項目是一個由36面天線組成的射電望遠(yuǎn)鏡陣列，與一般的只在方位和俯仰兩個方向轉(zhuǎn)動的天線不同，ASKAP還有第三個方向的轉(zhuǎn)動，即天線面本身的轉(zhuǎn)動，用來消除天體圖像在望遠(yuǎn)鏡焦平面上的旋轉(zhuǎn)。這種形式的天線在進(jìn)行偏振觀測或使用相位陣饋源進(jìn)行觀測的時候會有一定的優(yōu)勢。而組成陣列的全部天線，都是由中國電科54所制造安裝完成的。

澳大利亞ASKAP望遠(yuǎn)鏡陣列，使用的真是中國制造的類DVAC-2天線。（圖片來源：https://www.skatelescope.org/australia/）

SKA總干事菲爾?戴阿孟德（Phil Diamond）教授參觀DVA-C的時候，由衷的感嘆“中國速度”。DVA-C天線主面板是從拋物面上截取18米乘15米大小的一塊，構(gòu)成一面“大鍋”，這種奇怪的形狀并不是隨意截取的，而是經(jīng)過專業(yè)的光路設(shè)計和優(yōu)化的。這面大鍋不是傳統(tǒng)的金屬面板拼接而成，而是一整塊碳纖維面板，采用整體成型工藝制造。碳纖維具有重量輕、剛度大的特點；而且采用整體面板代替拼接，可以減少安裝和調(diào)試時間。這也是目前世界上最大的單塊碳纖維面板。為了把這么大的面板與模具分開，需要把廠房的屋頂拆掉，用吊車去吊裝，最后安裝到天線座架上。除了DVA-C之外，國際上還有另外兩個樣機(jī)，加拿大的DVA-1和南非的MeerKAT，構(gòu)成SKA天線的3大候選樣機(jī)。目前DVA-C望遠(yuǎn)鏡已進(jìn)行了多次脈沖星觀測測試，并將開始嘗試進(jìn)行科學(xué)觀測。

位于石家莊的DVA-C天線（左）與使用該天線觀測到的脈沖星B0329+54積分輪廓（右）

雖然中國和加拿大都制造出了整體成型的碳纖維面板，而且精度很高，比如DVA-C 能達(dá)到0.8毫米的面板精度，但是由于SKA要工作到20吉赫茲以上，對面板精度提出更高的要求，要達(dá)到0.5毫米。此外，碳纖維面板的壽命和變形情況能不能滿足30年的需求尚不清楚，且考慮到在中國制造完成后運輸?shù)侥戏堑睦щy性等，最終這種整體成型的碳纖維面板方案被放棄?，F(xiàn)在，被國際評審委員會推薦為SKA的最終樣機(jī)唯一研發(fā)方案的，是由中國和德國聯(lián)合提出的空間網(wǎng)架-分塊鋁合金面板天線方案——SKA-P天線。

中國天文學(xué)家遠(yuǎn)不止參與碟形天線建設(shè)這一項。從2012年開始到2018年是SKA的建設(shè)準(zhǔn)備階段，中國有20位天文學(xué)家?guī)缀鯀⑴c了SKA 13個科學(xué)目標(biāo)工作組的全部研究。2015年，SKA新版科學(xué)白皮書出版，其中有19%的章節(jié)是中國學(xué)者合作參與編寫的。SKA關(guān)鍵技術(shù)試驗研究也是建設(shè)準(zhǔn)備階段的重要任務(wù)，國際上將SKA研發(fā)任務(wù)劃分為10個工作包，并成立相應(yīng)的研發(fā)聯(lián)盟，中國參與了其中的6個，其中除了前面提到的碟形天線之外，還有寬帶單波束饋源、低頻孔徑陣列、中頻孔徑陣列、信號與數(shù)據(jù)傳輸以及科學(xué)數(shù)據(jù)處理。

23年風(fēng)雨兼程，造就了如今世界最大的單口徑望遠(yuǎn)鏡FAST；23年的開拓創(chuàng)新，才有中國SKA團(tuán)隊在科學(xué)與工程上取得的系列成就。而這一切，都起源于23年前，大家共同萌發(fā)出的一個夢想——我們想好好看一眼頭上的這片星空。

致謝

感謝國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目（973計劃）(編號：2013CB837900)支持

（責(zé)任編輯 張長喜）

位于南非的SKA反射面天線SKA_Mid 陣列示意圖。該陣列將由中國主導(dǎo)設(shè)計的SKA-P天線組成。（圖片來源：https:// www.skatelescope.org/ multimedia/image/skamid-africa-close-upartists-impression/ ）

構(gòu)成SKA的另外一種陣列形式，低頻孔徑陣列，將建在澳大利亞，覆蓋頻率50到350兆赫茲，由130萬個類對數(shù)周期天線單元組成5000個直徑約35米的子陣。（圖片來源：https:// www.skatelescope. org/multimedia/image/ ska-low-frequencyaperture-array-closeup-australia/）