世界上最大射电望远镜构建它！人类智慧团结已创建“SKA”计划全文

什么是平方公里阵列 (SKA)

去年建成的SKA总部的外观，背景是世界遗产乔德雷尔河岸天文台。
这座耗资 1650 万英镑的建筑由 Hasell 设计，该公司在澳大利亚、中国、新加坡和英国设有办事处。这家建筑公司还因在去年举办的设计博物馆“火星展览”上展示火星住宅的建筑模型而被人们铭记。

── 首先请您介绍一下SKA的起源。

20 世纪 80 年代是世界各地建造大型天文台的时期。为了建立一个具有更高功能的新天文台，必须建造一个更大的天文台，但建造一个能够承受更大、更重的接收天线的天文台在技术和经济上都是不可能的。

在这种情况下，从1993年开始，我召集了来自世界各地的众多科学家进行研究，以创造一种新的方法。我的专业领域是研究星系发出的中性氢，我认为通过观察这种氢发出的少量无线电波，可以制造出更复杂的射电望远镜。

我们不再依赖一个巨大的接收天线，而是找到了一种方法，通过在广阔的区域内广泛放置数百个小型接收天线来实现更好的灵敏度和分辨率。以相机为例，镜头越大，灵敏度越高。也就是说，卫星接收天线越多，天文观测的灵敏度就越好。分辨率的作用就像相机的变焦一样。接收天线之间的距离越远，就越容易聚焦。目前，哈勃太空望远镜拥有光学望远镜中最高的图像质量，但一旦SKA完成，我们预计图像质量将提高50倍。

SKA 的正式名称“平方公里阵列”是指如果将 SKA 位于世界各地的所有卫星接收天线聚集在一起，其面积将达到 1 平方公里。在大多数情况下，一旦研制出一架巨型射电望远镜，该项目就会结束。然而，通过添加越来越多的天线，SKA可以改进为更好的望远镜。因此，SKA被认为是最具成本效益的天文观测组织。

── 到目前为止有多少个国家加入了SKA？

截至 2 月 10 日，已有 13 个国家/地区正式参与。三个东道国分别是SKA总部所在地英国、正在建设卫星天线的澳大利亚和南非，以及瑞典、荷兰、法国、西班牙、葡萄牙、意大利、德国、加拿大、中国和印度。其中包括各国政府的官方参与，以及世界各地科学和工程界的非正式合作。

── 建造成本是多少？

我们计划在未来 10 年内花费约 16 亿欧元，包括接收天线的建设和运营成本。到今年年底，财政负担将以捐款的形式支付，同时考虑到每个参与国的利益。

SKA 总部与曼彻斯特大学天体物理中心的 Jodrell Bank 天文台位于同一地点，但它不是曼彻斯特大学的附属机构。大学很友善地租用了这块土地。

── 英国并没有安装真正的卫星天线，那为什么SKA的总部会在那里呢？

实际上，我们有与意大利帕多瓦争夺总部位置的历史。帕多瓦大学因伽利略很久以前曾在那里讲学而闻名（笑）。然而，在英国剑桥大学，不仅有牛顿，还有干涉仪（一种用频率分析波形并测量物理量的装置）的发明者，这就是SKA想法的起源。此外，曼彻斯特大学不仅在射电宇宙学领域享有盛誉，还拥有乔德雷尔班克天文台，为其创建做出了巨大贡献。这座构造精美的卫星接收射电望远镜去年被指定为世界遗产，每年有 20 万人参观游客中心。为了让更多人对这个项目感兴趣，我们在曼彻斯特大学校园内的 Jodrell Bank 天文台旁边建造了 SKA 总部。

── 英国总部去年开业，但目前有多少人在那里工作，他们从事什么业务？

总部约有100名来自18个国家的员工，主要工作是高级管理和财务。 SKA是一个诞生于全球合作体系的组织，因此其项目管理较为复杂。在总部，我们不仅帮助协调各个项目，还积极召开会议，加深各成员之间的共识。

── SKA目前处于路线图的哪个阶段？

建立 SKA 的想法已经存在了 25 年多，但我们目前正处于第一阶段的最后阶段。为了实现这一目标，科学家和工程师目前正在加强他们的合作结构。我们在去年年底提交了整个系统的最终确认并被接受。我们现在正处于关键时刻，正在准备建造卫星天线的申请。现阶段，SKA计划于2027-2028年完工。第一阶段现已结束，但我们有新的雄心。我想通过添加数十万个卫星接收天线来创建一个更强大的射电望远镜。这是 SKA 的第二阶段。我们不仅希望扩展到澳大利亚和南非，还希望扩展到其他非洲国家。目前我们在纳米比亚有卫星接收天线，未来我们希望在博茨瓦纳、马达加斯加、肯尼亚、加纳等国家建设天线。

两种类型的天线：碟形天线和圣诞树

── 听说SKA有低频、中频、抛物面三种天线。

首先，让我解释一下抛物面天线。这是SKA刚成立时就考虑过的研究天线，但目前根本没有开发，因为它可以被中频天线充分覆盖。例如澳大利亚的``ASKAP^*1”被开发为用于研究目的的天线。尽管它以其出色的天线而闻名，这些天线定位良好并能高速接收图像，但目前它已不再是 SKA 开发的一部分。

目前，SKA的天线开发正在转向两种类型：中频“SKA1-mid”和低频“SKA1-low”。普通的射电望远镜被设置为特定的频率，但SKA的射电望远镜接收的频率范围非常广泛，从15到50吉赫兹，因此它需要两种类型的天线。由于FM收音机的频率一般为90至100 MHz，因此可以看出SKA在低频方面的出色表现。因此，SKA望远镜将能够在宇宙形成的早期阶段捕捉到来自恒星的最微弱的信号。

── 南非是“MeerKAT”。在澳大利亚，SKA 的天线安装在默奇森射电天文台。您能告诉我们一下你们之间的关系吗？

``MeerKAT''拥有南非自主研发的卫星天线组，但作为SKA的合作伙伴，技术整合正在进行中。这就是我之前解释过的 SKA1-mid，但为了方便起见，我们将这种天线称为“碟形天线”。我们目前有 64 个天线，但我们计划将其增加到 260 个。在澳大利亚，SKA 与马丁森射电天文台合作开发了一种名为 SKA1-low 的独特天线。由于其形状，我们通常将其称为“圣诞树”。

南非“MeerKAT”的中频天线组（SKA1-mid），名为“dish”（想象图）
Meer 是卡鲁语，意思是“更多”。 KAT 代表卡鲁阵列望远镜 (Karoo Array Telescope)，是对当地猫鼬的模仿。 2月中旬，德国决定投资4亿兰特（约2500万欧元），并确认扩建Dish设施。
©SKA

澳大利亚马丁森射电天文台天线组（想象图）
由一组ASKAP抛物面天线和大量低频天线（SKA1-low）组成。
©SKA

位于 SKA 总部的低频天线“SKA1-low”
该天线由SKA原创设计，中国制造。 SKA 将其称为“圣诞树”，去年圣诞节期间，它在其英国总部被装饰成一棵真正的圣诞树。

── 南非和澳大利亚都选择了沙漠地区。这是因为这些天线适合干燥地区吗？

主要原因是我们远离文明，比如收音机、手机、WiFi。这是因为这些噪声会干扰 SKA 无线电波的接收。另一个因素是，南半球的观测在地理上最适合观测银河系中心和黑洞。历史上，南半球许多天文观测站就是因为这个原因而建立的。

── SKA射电望远镜上会分开使用南非天线组和澳大利亚天线组吗？或者可以同时组合使用吗？

这是一个非常好的问题。尽管两者具有不同的频率（中频和低频）并且是单独开发的，但它们在科学上有很多共同点，一半的科学家希望在研究中使用两者。但从地理位置上来说，两者不能同时使用。因此，我们将首先从澳大利亚观测它，然后随着地球自转移动到南非。

软件望远镜的诞生

── 据我之前的消息来看，SKA的天线群似乎正在接收大量的数据。我们应该处理和存储多少数据？

激活 SKA 后，南非和澳大利亚的射电望远镜在任何给定时间每秒都会接收大约 8 TB 的数据。这比普通家庭宽带快 100,000 倍。如果我们每天24小时都收到这么大量的数据，是不可能存储所有数据的。为了解决这个问题，我们目前正在开发利用“机器学习”的软件，该软件允许计算机理解图像数据中的模式，确定它是否重要，并仅存储必要的内容。

── 包括美国在内的公众将这些功能统称为“AI（人工智能）”，但在欧洲，特别是英国，正在提倡“机器学习”。 SKA是机器学习类型吗？

在 SKA，我们支持机器学习。这是因为计算机仍需要相当长的时间才能发挥完整的人工智能功能。目前，数据正在被识别和存储，预计存储量为每年600PB。

── 这几乎与瑞士CERN（欧洲核研究组织）的数据一样多。

事实上，CERN是SKA的重要合作伙伴，他们正在联合开发超级计算机，这将大大增加存储的数据量。

如果科学家尝试将 10 到 50 TB 的大图像下载到自己的 PC 上，即使是大学等教育机构也无法处理。这就是为什么 CERN 和 SKA 需要联合开发一台超级计算机来处理大量图像并使其更易于处理。

── 看来SKA的技术发展不仅与天文学有关，还延伸到了信息技术领域。

没错。由于其特点，SKA也被称为“软件望远镜”。它跨越许多学科，并因改变科学研究的方式而受到赞誉。乍一看，与太空无关的领域的计算机相关技术开发正在通过SKA项目快速进展。 SKA的独特之处在于科学的发展与技术的发展共同进步，相互促进。

SKA的科学目标与人们生活的关系

── SKA设定了几个科学目标^*2，首先，请解释一下你的“对广义相对论的挑战”。听说这证明了爱因斯坦的相对论是否可以应用于黑洞。

大多数理论都是不完整的，并且随着时间的推移往往会失败。在这种情况下，爱因斯坦的理论甚至还没有得到完善。太棒了。然而，当我们继续实验时，我们发现他的相对论是不完整的。爱因斯坦的理论不适用于观察具有极高密度的黑洞，或者观察原子等非常小的物体。

SKA 领导的研究应该有助于弥合人们对重力的了解和不了解之间的差距。例如，寻找被认为位于星系中心的黑洞，使我们离完全了解整个宇宙又近了一步。

科学家有两种类型：追求理论的科学家和通过科学事实证明其理论的有效性来建立新理论的科学家，我想你会明白SKA属于后者。

── 暗能量到底是什么？

星系中存在的恒星等可见物质可以通过直接观测来测量，并且可以根据星系的旋转计算出总量。然而，一个重要的问题被遗漏了。星系中的物质总量被认为是可见物质量的10倍以上，但实际上，90%的物质对我们来说是不可见的。为什么会有这样的差距？最简单的解释是，那里有东西，但我们只是看不到它，或者我们根本看不到它。在天文学中，这被称为“暗物质”。回到爱因斯坦的理论，当恒星在像星系这样的大空间中高速运动时，我们所理解的引力是否会起作用并不确定。

“暗能量”是存在于“暗物质”之上的另一个问题。宇宙中不仅有一些地方的引力比理论预测的要弱，而且还可能有一些地方存在神秘的力量对抗引力，使物质无法分离。这就是“暗能量”的想法。

“暗物质”和“暗能量”是观察超越理论的例子，也是大自然如何给我们带来惊喜的绝佳例子。如果我们能够通过SKA望远镜的观测来预测新现象，我们将能够创造出更好的理论。

─ 我听说我们平常看到的太空照片其实并不是最近的宇宙照片，而是很久以前的照片。

虽然“宇宙再电离时代”这个主题不是我的研究课题，但我想简单解释一下。光以一定的速度传播。换句话说，当我们看远处的物体时，我们是在回顾过去。对于太阳来说，我们看到的是它八分钟前的样子，而对于银河系中心来说，它已经有3万年的历史了。

我们在地球上看到的阳光是8分钟前的
©Pixabay

如果我们使用无线电波，我们可以看到，在 138 亿年前的大爆炸之后的 30 万年，宇宙将会变得清澈。^*3''。这只能通过射电望远镜来完成。这是因为，在这个晴天之后的七亿多年里，一切都变得寒冷和黑暗，可见光被阻挡。这个时代就是“黑暗时代”。在这个时代末期，宇宙逐渐变暖，第一批恒星和星系形成，可见光出现。我们称之为“宇宙再电离时代”。

SKA 将能够通过测量中性氢气发出的微小射电束来拍摄从宇宙诞生到再电离时代结束的各个时代的照片。从那时到现在，发生了难以想象的事情。我们生活在一个多么深邃而令人兴奋的宇宙啊！

── 宇宙磁场到底是什么？它与SKA的活动有何关系？

我们之所以能够存在于这个地球上，只是因为磁场的存在。地球磁场保护我们免受来自太阳的电离辐射以及超新星爆炸期间发出的 X 射线和伽马射线的影响。如果没有磁场，这些辐射就会杀死我们。

然而，一旦你进入太空，磁场的保护就消失了。这使得太空飞行变得困难。如果人类要去火星，需要三个月的时间，在此期间他们将继续受到辐射。航天器电子设备的设计必须能够承受这种环境。机上人员也应受到尽可能的保护。为此目的可能采取的对策包括，例如，创建一个被 1 米深的水包围的隔断。辐射具有穿过物质的“穿透力”，但即使是辐射中穿透力最强的中子射线也无法穿过水。

我认为其他望远镜也很擅长发现行星，但是SKA的望远镜可以探测到哪些行星有磁场。具有磁场的行星就像受到磁力保护的茧一样，使复杂的生态系统成为可能。

在更大的范围内，磁场会影响分子移动的速度，进而影响化学现象，并最终影响星系的形成。这比人们预期的更重要。早期宇宙主要是氢气和氦气。其他元素是在恒星生命终结并爆炸时形成的。另外，由于行星之间的距离恰到好处，我们的地球才能够维持生命。磁场将这些新形成的元素引导到形成生命的材料中。借助SKA望远镜，早期宇宙磁场导致生命诞生的研究也将积极开展。

── SKA望远镜能否在系外行星上寻找生命？

我们通常使用无线电波进行地球上的探索和实际用途。例如，它主要用作通信手段，例如监视和控制机场周围的飞机、广播电视和广播以及使用智能手机和移动电话拨打电话。航天器使用无线电信号进行远距离通信。万一银河系某处的行星上存在智慧生命，它可能拥有类似的技术。在这种情况下，SKA 雷达的灵敏度将使其能够检测到该生物使用的无线电信号。然而，也有可能他们拥有与我们不同的技术，并且不使用很多无线电信号，在这种情况下，搜索他们可能并不容易。

我们没有其他行星上存在高级生命的证据，也没有任何生命本身存在的证据。然而，地球并不是唯一特殊的。如果我们是宇宙中唯一的生命形式，那就更令人惊讶了。如果存在类似的生命形式，我们迟早会找到它们，并且更先进的生命形式可能会从远处与我们交流。我认为不假设高级生命形式存在是愚蠢的。

对太空的兴趣和对日本正式参与的渴望

── 听目前为止的发言，我觉得SKA是一个很好的机会，可以提高人们对太空的兴趣。

这些话非常好。你说得对。虽然SKA是为天文专业人士建立的，但我们一直希望普通公众了解天文物体的重要性和兴趣。因为如果没有大家的支持和理解，这样的实验和设施建设是不可能进行的。

许多对天文学不感兴趣的人可能认为天体物理学与他们无关。这就是为什么我想更多地交流SKA活动与人们生活的相关性。

─ 日本已表示对SKA感兴趣，但目前不是正式成员。

是的，没错。日本目前作为“观察员”参加我们组织的董事会会议和内部讨论。我们欢迎日本的这种参与，并希望有一天他们能够作为正式成员加入我们。

日本天文学界拥有知识渊博的专家和高水平的技术知识。尤其是高频研究引人注目，北美智利建造的ALMA望远镜就是一个很好的例子，SKA和日本在创建从高频波获得的高质量图像方面也有合作关系。

日本不仅在高性能计算机技术和机器学习等软件开发方面享有盛誉，而且在创建干涉测量基线 VERA 方面拥有悠久的历史^*4的观测阵列用于世界各地的实验望远镜。

日本正式加入SKA对双方都有意义。我们期待听到日本正式参与的意向。

个人资料

博士。罗伯特·布朗（罗伯特·布劳恩）

平方公里阵列科学总监

在加拿大英属哥伦比亚大学主修物理和天文学后，在荷兰莱顿大学获得博士学位。研究主题是星系释放的中性氢。获得博士学位后，他在国家射电天文研究所和荷兰射电天文研究所从事研究，也因研发世界一流的光学望远镜和射电望远镜而闻名。在 NRAO 和 ASTRON 工作后，他在 CSIRO 担任天体物理主题和研究项目的负责人，后来担任首席科学家。此外，自 20 世纪 90 年代初以来，他一直是 SKA 成立的核心人物，SKA 提出了射电望远镜开发的概念。 2013年，他成为SKA的科学总监。到目前为止。自2013年起，他还担任悉尼大学名誉教授。

作家

中岛恭子（中岛恭子）

日本女子大学文学院英美文学系毕业。自中央圣马丁艺术与设计学院获得硕士学位以来，他一直居住在英国。他为 AXIS 和 Amana NATURE & SCIENCE 等杂志和网络媒体撰写了大量有关技术、商业和设计的文章。