平方公里陣列射電望遠鏡

平方公里射電陣（Square Kilometre Array，縮寫為SKA)是一個巨型射電望遠鏡陣列，由數千個較小的碟形天線構成，將負責解答一系列科學疑問，其中包括行星如何形成，引力波如何拉伸宇宙的結構以及首批形成的星系如何演化。平方公里射電陣計畫始於1993年，項目預計於2024年前後完工，但真正投入使用還要等到2030年底。2012年10月，澳大利亞平方公里陣列射電望遠鏡（ASKAP）前期項目建設完成並於5日在西澳大利亞州默奇森地區正式啟用。

SKA前期數據處理系統建設和相關科學預研，共分為三個大課題。將以我國低頻望遠鏡陣列21CMA和澳大利亞低頻望遠鏡陣列MWA的實測數據為基礎，為SKA的宇宙再電離直接成像觀測做準備；將完成低頻射電干涉大視場、高動態、多波束的成像處理軟體；同時建設中國SKA區域中心數據處理系統的原型機。

基本介紹

• 中文名：平方公里射電陣
• 外文名：Square Kilometre Array
• 縮寫：為SKA
• 射電陣計畫：始於1993年

發展歷程

平方公里射電陣計畫始於1993年。在國際無線電科聯在日本京都舉行的大會上，10個國家的天文學家聯合提議建造這個巨型射電望遠鏡陣列。　

蝶形天線

平方公里射電陣（Square Kilometre Array，縮寫為SKA),它是一個巨型射電望遠鏡陣列。“平方公里”這個名字就是為了突出其所覆蓋面積之大。SKA並不是一個直徑達到1公里的射電碟形天線，而是由數千個較小的碟形天線構成。國際SKA項目負責人理察·斯基利齊表示：“碟形天線將採用橢圓形設計，直徑大約在15米左右，由於造價必須低廉加之所需數量多達3000，它們的構造較為簡單。”　迄今為止，來自20個國家的參與者已經投入15億歐元(約合20億美元)。這一項目預計於2024年前後完工，但真正投入使用還要等到2030年底。

2018年2月6日SKA射電望遠鏡首台天線樣機在河北石家莊正式啟動，這標誌著由中國主導研製的SKA反射面天線即將進入正式建設階段。

2019年8月16日，平方公里陣列（SKA）射電望遠鏡預計2020年啟動建設。作為創始成員國，中國除了參與研發這個超級望遠鏡的部分天線，也在為建設區域數據中心積極開展準備工作。

主要特點

憑藉超高靈敏度、超大視場、超快巡天速度和超高解析度，SKA將人類視線拓展到宇宙深處，有望在宇宙起源、生命起源、宇宙磁場起源、引力本質、地外文明等自然科學重大前沿問題上取得革命性突破。　與傳統望遠鏡相比，SKA更像是一個‘軟體’望遠鏡。SKA產生的數據流遠遠超出全世界網際網路流量的總和。

建造原因

之所以建造一個如此巨大的陣列的原因在於：無線電波的波長遠遠超過可見光。一架光學望遠鏡的觀測波長可達到10毫米，將其“放大”到射電天文學研究需要的厘米波長遭遇挑戰。e-Merlin望遠鏡陣列——坐落於英國曼徹斯的喬德萊爾·班克射電天文台——負責人西蒙·加林頓指出：“為了獲得與先進光學望遠鏡同樣的觀測細節，你需要鏡面直徑100公里的望遠鏡。很顯然，你不可能建造一架口徑100公里的望遠鏡，但你可以建造一個望遠鏡網路，通過將它們連線在一起達到同樣的效果。”

SKA的靈敏度將達到目前地球上任何射電望遠鏡陣列的50倍，解析度則將是後者的100倍。

選址之爭

SKA陣列建造地點的爭奪異常激烈,初期選址有澳大利亞、南非、中國、阿根廷四個國家參加了角逐。2006年9月，中國和阿根廷的方案分別由於地理條件以及電離層不穩定而遭到否決。

澳大利亞和南非因良好的無線電環境成為最後的候選者。澳大利亞的候選台址位於其西部，距離米卡薩拉(Meekatharra)大約100公里，南非候選站址位於北開普省的卡魯盆地，距離卡那封(Carnarvon)大約95公里，部分天線將位於波札那、納米比亞、莫三比克、馬達加斯加、模里西斯、肯亞、加納等周邊國家。SKA項目南非負責人伯尼·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。如果建造地附近存在任何強廣播信號，那就像是在太陽升起時觀察天空中的星星一樣。你不希望被手機信號覆蓋，也不希望周圍有很多人和汽車存在。我們在進行最初的測試中發現，就算是坐到一個塑膠椅上這樣微不足道的事情也會產生干擾。”

在完成的陣列中，大約有50%的碟形天線位於中部5公里範圍內，25%位於向外200公里範圍內，最後的25%則位於最外部3000公里範圍內。根據南非的提議，碟形天線將建在納米比亞、波札那、莫三比克、馬達加斯加、尚比亞、模里西斯、肯亞和加納。根據澳大利亞的提議，這個陣列將最遠延伸至紐西蘭。競標負責人布萊恩·博伊勒表示：“澳大利亞建議的核心地點默奇森射電天文台座落於地球上一個人口最為稀少的地區。選擇澳大利亞和紐西蘭可以讓望遠鏡陣列覆蓋5500公里的區域。”

光纜長度

SKA陣列的天線包括傳統曲面碟形天線，能夠將無線電波聚集，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，由於採用先進的電子設備，將時間間隔以及到達陣列不同區域的相同無線電信號等因素考慮在內，SKA陣列無需移動便可立即定向。

SKA項目籌備階段英國負責人、喬德萊爾·班克天文台的克里斯·申頓表示，這允許望遠鏡一次觀測不同方向。“我們可以按照自己的需要觀測很多方向的無線電波，這是一種優勢，可以同時進行多項實驗。例如，可以對一個無線電波進行研究，同時對另一個進行非常詳細的觀測。”

這些天文設備每次不只能觀察一片天空

然而，構建這樣一個網路絕非易事。信號同步精度必須達到十億分之一秒，所需光纜數量也是一個驚人數字，連線在一起的長度可繞地球兩周。完成連線工作之後，電腦還要對每一對碟形天線進行比較。每架望遠鏡一秒鐘可產生大約20GB數據，足以在短短几分鐘內裝滿存儲量最大的電腦硬碟。斯基利齊說：“我們需要擁有巨大的數據處理能力，根據我們的估計，只有世界上最強大的超級計算機才能勝任這項工作。”

項目責任

SKA陣列將負責解答一系列科學疑問，其中包括行星如何形成，引力波如何拉伸宇宙的結構以及首批形成的星系如何演化。牛津大學的史蒂夫·勞林斯希望SKA陣列能夠揭開暗能量的謎團。他說：“平方公里陣列就像是一台時間機器。如果能夠看的更遠，你所觀察到的宇宙就更為年輕，進而了解宇宙膨脹過程。暗能量似乎加速宇宙膨脹，我們將發現這種能量並有可能揭開其真面目。”　SKA項目科學家、美國宇航局噴氣推進實驗室的約瑟夫·拉齊奧希望SKA陣列能夠上演一個更令人興奮的發現，即發現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，能夠發現人為產生的無線電信號，進而找到一些距離我們最近的恆星系統內的類地行星。也許在50年內，我們便可發現另一個在科技方面與我們相當接近的文明。”SKA陣列一定會上演一系列預料內和預料外的重大發現。“SKA陣列將成為一個真正意義上具有變革性的科學儀器。我們將得出一系列出人意料的發現。”

平方公里射電陣的低頻孔徑陣列

由於有了耗資13億英鎊(20.55億美元)的平方公里射電陣(SKA)，有關宇宙的一些未解之謎，最終將會找到答案。它將收集大量有關宇宙的信息，為了處理這些數據，我們需要一台功能相當於10億台個人電腦的超級電腦。

項目意義

平方公里射電陣將由直徑是1900英里(3057.75公里)的數千個表面積是1平方公里的蝶形天線組成，它將為人類提供大量有關宇宙的數據，一位天文學家曾稱，它會徹底改變我們對宇宙的看法。英國協會科學和發現中心的伊恩-格里芬博士說：“平方公里射電陣計畫將為天文學家提供一個新工具，徹底改變我們對宇宙的了解。由於面積龐大，這個望遠鏡將會顯示出星系令人難以置信的細節，通過研究激動人心的神秘天體，例如黑洞，有助於檢測愛因斯坦的相對論，讓天文學家了解更多早期宇宙史。”

該科學機構還認為，如果我們的太陽系以外確實存在生命，平方公里射電陣將為發現它們提供最佳機會。要想達到這個目的，還需要突破性技術。平方公里射電陣的直徑15米的蝶形天線將是有史以來建設的最為靈敏的天文設備，它能發現太空中的天體發出的電磁輻射，並能發現距離地球50光年的一顆行星上的機場雷達信號。這些蝶形天線將由低頻和中頻孔徑陣列提供幫助，後者會為我們提供一個大型視場，每次用它不只能觀察一片天空。這台望遠鏡獲得的數據將會多得驚人，數據傳輸速度為每秒幾貝脫比特(petabits)，或者大約是當前全球網路流量的100倍，每天能裝滿1500萬個64GB的iPod。為了分析這些數據，需要製造一台每秒運行一百萬萬億次的超級電腦，它比當前最強大的電腦的運行速度快1000倍。修建平方公里射電陣需要大量智囊團，目前20個國家的67個組織參與了它的設計和製造工作。

天線和孔徑陣列在觀察天空時的排列秩序

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從跟跑到並跑、領跑創造了難得的機遇。對SKA數據處理問題的解決有助於帶動相關產業的發展，甚至引發革命性變化。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。

建設過程

項目合作

SKA望遠鏡由包括中國在內的13個正式成員國以及多個觀察員國參與建設。這個史上最大綜合孔徑射電望遠鏡的上百萬個低頻對數周期天線將分布在澳大利亞西部沙漠，約2500個高頻碟形天線將架設在南非及南部非洲8個國家。

南非境內的部分SKA望遠鏡蝶形天線

作為下一代擔當引領作用的射電天文觀測設施，SKA不僅承載孕育世界級科研成果的使命，還將產生世界上前所未有的超大數據量。據估計，僅按照全部規模10%來建造的第一階段，科學處理器所需要的計算能力，就相當於我國超級計算機“天河二號”的8倍、“神威·太湖之光”的3倍。如此龐大的數據還需要深度分析和加工後才能被科學家使用，這些工作是要由分布於幾大洲的區域數據中心合作完成。

前期項目

2012年10月5日，澳大利亞聯邦科學與工業研究組織表示，澳大利亞平方公里陣列射電望遠鏡（ASKAP）項目建設完成並於當天在西澳大利亞州默奇森地區正式啟用。

ASKAP的36台獨立碟狀天線每個直徑12米，它們將以前所未有的精度和速度捕捉宇宙射電波。項目所在地默奇森地區距離西澳大利亞州首府珀斯650公里，人煙稀少，被認為是世界上最佳的無線電靜默區之一。

這一項目是世界最大射電望遠鏡“平方公里陣列”（SKA）的前期項目，整個SKA項目將包含數千個碟狀探測裝置，分布在澳大利亞、紐西蘭和南非等地。它將幫助科學家探索宇宙更為深層次的問題，如暗物質、暗能量、恆星和星系的起源等。

澳大利亞聯邦科學與工業研究組織執行長梅甘·克拉克說，目前的射電望遠鏡繪製半人馬座A星系的圖像需要1200小時，而有了SKA望遠鏡，則只需要10分鐘，“我們進入了繪製宇宙地圖的新時代”。

中國經濟網北京2月13日訊 (實習記者 李梓珩)據澳大利亞《時代報》2月13日報導：澳大利亞科技部長克里斯-埃文斯(Chris Evans)正在積極尋求國際支持，以促使澳大利亞成為史上最大的平方公里射電陣項目(Square Kilometre Array，縮寫為SKA)的建設地。平方公里射電陣是一個巨型射電望遠鏡陣列，它比任何現存望遠鏡的精度都要高，將為人類提供大量有關宇宙的數據，為人類解答一系列科學疑問。
該項目造價超過20億美元，目前其競爭對手是南非。迄今，澳大利亞政府已投資逾3億美元用於射電基礎設施建設，以助澳大利亞勝過南非而成為項目最終選址。若項目最終落戶澳大利亞，將對其帶來極大的天文科學和經濟效益。
最終結果有望於本周末之前得出，但或許要等到四月上旬才會正式公布

分批建設

SKA將分批建設，第一階段完成總規模的10%。據估算，SKA第一階段的科學數據處理所需要的計算能力就達到500Pflops，相當於中國數一數二的超級計算機“神威·太湖之光”的3倍、“天河二號”的5倍。

在科技部和中科院的支持下，上海天文台最近牽頭完成了中國SKA數據中心原型機的建設和集成測試。此前，該團隊還在“天河二號”超級計算平台上對SKA核心軟體完成大規模的集成測試。

最新進展

中國參與研發的世界最大射電望遠鏡陣項目向建設邁出關鍵一步

國際線上訊息（記者 陳雨）：記者2015年3月10日從中國科學院獲悉，中國參與研究、研發的國際大科學工程——平方公里鏡陣射電望遠鏡（Square Kilometre Array, SKA）項目取得重要進展：“平方公里鏡陣”第一階段（SKA1）建設方案已最終確定，並得到董事會通過。這標誌著世界最大的射電望遠鏡陣進入了建設準備階段的後期，並向建設階段邁出了關鍵一步。

宇宙中充斥著各種各樣的電磁波，有的微弱，有的強大。作為比目前的任何既有設備都要先進的“平方公里鏡陣”，旨在捕捉這些電磁信號，收集從宇宙大爆炸到星系出現之前的“黑暗時期”信息；研究星系、恆星的產生和發展，以及充斥宇宙大部分的暗能量和暗物質的性質；幫助解釋生命起源、探查外星生命存在，將為人類探索宇宙奧秘帶來新的革命。

據了解，“平方公里鏡陣”第一階段建造費用總計6.5億歐元，它由兩套世界領先的望遠鏡設備構成，位於南非的約200面拋物面天線組成的蝶形天線陣，以及位於澳大利亞的由超過10萬個偶極天線（類似於家用電視天線）組成的低頻孔徑陣列。

SKA科學主任Robert Braun說，“這兩套互補望遠鏡將使我們得以開展一系列激動人心的科學研究，例如，通過觀測脈衝星和黑洞來探測愛因斯坦所預言的引力波、檢驗萬有引力理論、及搜尋地外生命的蛛絲馬跡。”

“‘平方公里鏡陣’下一步工作是與各成員國一道，在2018年‘平方公里鏡陣’開始建造之前，將其目前的架構發展為一個國際性組織”，SKA董事會主席John Womersley教授表示，“平方公里鏡陣射電望遠鏡的設計令人難以置信，它控制在預算之內，其建設即將啟動，將驅動大數據時代的技術發展，將產生諾貝爾獎級的科學成果。簡言之，它將成為史上少有的幾個對整個社會產生不可估量影響的科學項目。”

誠如這位科學家所說，“平方公里鏡陣”將於2018年開始建造，並將於2020年開始產出最早的科學成果。目前，國際SKA組織有11個正式成員國組成，分別是：澳大利亞、加拿大、中國、德國、印度、義大利、紐西蘭、南非、瑞典、荷蘭、英國。其中，南非與澳大利亞還是台址國。

2018年9月12日，在科技部國家重點研發計畫大科學裝置專項的支持下，平方公里陣列射電望遠鏡（SKA）前期數據處理系統建設和相關科學預研在上海正式啟動。