圖片均為SKA效果圖。由SKA組織提供

在澳大利亞和非洲，包括中國在內的十多個國家的科技工作者正聯合起來，為建造下一代超級射電望遠鏡（SKA）做準備。這將是人類有史以來建造的最龐大的天文觀測設備，也是中國參加的第二大國際合作大科學工程。它匯集了人類在天文學、無線電、信息、通訊、計算機、機械制造等諸多領域的最新科技成果，將主導未來射電天文學50年的發展，有望催生多項重大科學發現，對自然科學和人類文明作出劃時代的、革命性的貢獻。

人類有史以來最龐大的天文設備

下一代射電望遠鏡——平方公里陣列射電望遠鏡（Square Kilometre Array，SKA）是人類有史以來建造的最龐大的天文設備，將開辟人類認識宇宙的又一新紀元。SKA集傳統射電天文干涉技術和現代相控雷達技術為一體，體現諸多當代科學技術的最新和最高成就。

SKA由大量小單元天線（2500面15米口徑的蝶形天線，250個直徑為60米的致密孔徑陣和130萬只對數周期天線）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，將以納秒級的采樣獲得精細的時間結構，將以10Pb/s的速率產生超越目前全球互聯網總量的大數據，帶動E級計算、通信和存儲的技術革新。大視場、多波束、高動態、高分辨、大數據等一系列新概念催生的SKA，將顛覆射電天文學的傳統研究手段，給天文學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（編者注：以南非為核心的非洲8國）兩個臺址分階段進行建設，總部設在英國。SKA第一階段（SKA1）約建造10%的SKA，2019年開始建設，5年完成。第二階段（SKA2）建設其余部分的SKA，預計2030年完成。SKA1將只建設反射面天線陣（中高頻）和低孔徑陣，致密孔徑陣（中頻）可能放到SKA2階段進行建設。

SKA具有更高的靈敏度、更大的視場、更高的頻率和空間分辨率、更高效的巡天能力，以克服單口徑射電望遠鏡的缺陷和不足。SKA的靈敏度能達到什么程度呢？若50光年以內有飛機飛過，我們能清晰地聽到兩個飛行員的對話。即便只完成10%的SKA，也將會是全球最卓越的射電望遠鏡，綜合性能遠超任何一部單口徑射電望遠鏡。

將開辟人類認識宇宙的新紀元

SKA將揭示宇宙中誕生的第一代天體，重現宇宙從黑暗走向光明的歷史進程；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構圖像，檢驗暗物質和暗能量的基本屬性，有助于驅散籠罩在21世紀自然科學上空的兩朵烏云；SKA將發現銀河系幾乎所有的脈沖星，并有望發現第一個黑洞-脈沖星對，對引力理論做精確的檢驗；SKA將對數百顆毫米脈沖星精準測時，發現來自超大質量黑洞的引力波；SKA將重建宇宙磁場的結構，探知宇宙磁場的源頭；SKA將探尋原始生命的搖籃，并尋找茫茫宇宙深處的知音；SKA也將探尋未知的宇宙，帶來全新的科學發現。其中任何一個問題的突破，都將引起自然科學的重大革命。

中國SKA科學團隊由11個科學研究課題以及150多名天文學家構成，瞄準以下課題：

優先科學領域之一：發揮十年從事低頻射電探索“宇宙第一縷曙光”的經驗，利用SKA1低頻陣1000h的五個定點觀測天區數據，直接抓捕宇宙第一代天體誕生和再電離的身影，再現宇宙的黎明。同時參加大天區的低頻巡天，匯聚來自宇宙早期的微弱中性氫信號，從統計上揭示宇宙再電離時期的宇宙整體結構特性。

優先科學領域之二：積極參與脈沖星的搜尋，并致力于發現毫秒脈沖星、脈沖星-脈沖星系統、脈沖星-黑洞系統等具有特別重要科學價值的事例以用于檢驗引力理論。將長期參加并逐步主導脈沖星陣列的測時工作，期望成為發現超大質量黑洞及其合并過程引力波輻射的主要貢獻者。

若干重要突破方向：充分利用SKA1極高靈敏度和大面積巡天的優勢，開展中性氫21厘米宇宙學研究，揭示從黑洞、星系動力學直至宇宙大尺度結構的性質，檢驗暗物質和暗能量的特性；利用SKA快速巡天和極高時間分辨率的優勢，探究暫現源（如快速射電暴、伽馬暴、引力波源、黑洞）的物理本質，解釋宇宙極端天體的秘密；繪制從星云到宇宙大尺度的磁場結構，追溯宇宙各層次的磁場起源。

風險與挑戰并存

我們也清楚地意識到，作為國際天文學界史無前例的革命性大科學裝置，SKA1在設計、建設、技術、科學、運行和管理等諸多方面也面臨巨大風險和挑戰。

第一，高額的建造費用使得SKA1不斷修訂基線和緊縮預算，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未定型，有可能會造成SKA1談判的艱巨性，導致建設的進一步延誤。

第二，因為建設時間多次推遲，給其他一些類似天文觀測設備，如美國瞄準宇宙再電離探測的HERA望遠鏡陣贏得了充足的時間，SKA1設定的一些有限科學目標可能失去先進性和科學價值。

第三，中國SKA科學團隊目前還沒有完全掌握SKA的關鍵數據處理技術，如干涉陣高動態成圖、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，將在國際競爭中處于極其不利的低位，影響既定科學目標的實現。

第四，SKA1觀測運行機制尚未確立，中國SKA科學團隊能否領先或主導SKA1一些首要科學任務還不清楚。

中國作為SKA主要成員國之一，將以大國風范和責任以及對卓越科學目標勢在必得的追求，在其中發揮越來越重要的作用，并獲得豐厚的科學回報。參加SKA將是中國天文學發展的里程碑，經過充分準備的中國SKA團隊會肩負時代重任，迎難而上、不負使命、迎接挑戰，在探索未知和神秘的宇宙中創造奇跡、鑄造輝煌。

（作者：武向平，系中國科學院院士、中國科學院國家天文臺研究員）

（原載于《光明日報》2018-07-05 13版）