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澳大利亚的沙漠里隐藏着一个伟大科学工程

　　飞机降落在坚硬的红色沙土地上，艳阳高照，四周一片荒芜。老鹰在低空盘旋，地面上散落着巨大的蚁穴，偶有好奇又胆大的袋鼠站在树下，远远地盯着我们这批闯入者。

　　这里几乎保存着澳大利亚腹地最原始的样貌。但就在这里，西澳大利亚州默奇森郡沙漠区，全世界人烟最稀少的地区之一，国际天文界将建造可能是有史以来最伟大的大科学工程——平方公里阵列射电望远镜（Square Kilometre Array，简称 SKA）。

澳大利亚的沙漠里隐藏着一个伟大科学工程

　　澳大利亚 SKA 探路者射电望远镜（ASKAP）。

澳大利亚的沙漠里隐藏着一个伟大科学工程

　　志愿者在沙漠里苦中作乐，举办“蜘蛛”望远镜组装大赛。

澳大利亚的沙漠里隐藏着一个伟大科学工程

　　科学家在讲解望远镜海量数据存储、传输与处理的原理

　　SKA 接收面积达一平方公里，是世界上最大的综合孔径射电望远镜。透过这只巨大的“科学之眼”，人类将有望观察到天空中从未被发现过的细节。

　　地球的眼睛

澳大利亚的沙漠里隐藏着一个伟大科学工程

　　千百年来，天文学家从未停止过探索宇宙的脚步。随着天文观测技术的不断进步，科学家也拥有了越来越强大的观测设备，帮助他们更加清晰地仰望星空。

　　然而，一些最基本的问题却仍然没有得到令人满意的答案。

　　宇宙的“第一缕曙光”在哪里？第一个恒星和星系是如何形成的？暗能量究竟是怎样的一种神秘力量？爱因斯坦是对的吗？当然还有无数人渴望得到解答的那个问题：我们在宇宙中是孤独的吗？

　　也许，我们需要一只更加敏锐的“眼睛”。上世纪 90 年代，关于 SKA 的设想初步形成，但因预计投入巨大，直到 2008 年才开始进行概念设计。此后又经历了 SKA 组织法人实体的成立、选址等过程。

　　“我们最终确定，SKA 的建设将分两个阶段进行。”澳大利亚 SKA 办公室项目总经理 David Luchetti 告诉《中国科学报》记者，“SKA1 阶段将从 2018 年持续到 2023 年，将建设大约相当于整个工程规模 10% 的望远镜；SKA2 阶段将完成整个望远镜阵列的建设。”

　　依据目前的规划，SKA 最终将建设上千面反射面天线和一百多万个低频天线，横跨澳非两个大陆，将具备无与伦比的观测范围，并将超过哈勃太空望远镜的图像分辨率质量。

　　许多学者认为，SKA 在本世纪内将至少保持 30 年的绝对领先地位。如果一切顺利的话，它会重新定义人类对宇宙的理解，也无疑将成为地球上的又一个科学奇观。

　　静默区内，探路者已出发

　　以默奇森射电天文台为中心，澳大利亚联邦政府和西澳大利亚州政府建立了一片广阔的无线电静默区，使这里的射频干扰降到最低限度，为开展射电天文观测与研究提供完美的保护。SKA 的两个先导项目也已在此安家。科学家正在探索最前沿的新技术，为未来的 SKA 铺路。

　　“澳大利亚 SKA 探路者”（ASKAP）项目是由默奇森天文台委托澳大利亚联邦科学与工业研究组织建设的射电望远镜。“它会被用于测试新型望远镜技术的可靠性，也会用于测试默奇森天文台是否适合作为 SKA 的台址。”SKA 科学董事 Sarah Pearce 说。

　　ASKAP 项目主任 Antony Schinckel 则认为，除了作为探路者，ASKAP 本身就是一种新型射电望远镜，它由 36 个直径 12 米的反射面天线组成一个阵列，具有很高的灵敏度，可在天空宽阔的区域上进行极高分辨率的巡天。

　　ASKAP 的望远镜上还装有一种非常了得的“秘密武器”——相位阵馈源。它能够同时产生 30 个单独的波束，给天线提供广阔的视场，大大加快了望远镜的巡天速度。

　　澳大利亚联邦科工组织天文与空间科学部代主任 Douglas Bock 透露，在中国即将竣工的世界最大单口径射电望远镜——500 米口径球面射电望远镜（FAST）中，这项尖端技术也将得到应用。它将帮助 FAST 寻找天空中更加微弱和隐蔽的星系。

　　SKA 的另一个重要的先导项目默奇森宽场阵列（MWA）也坐落在这一地区。与高大的 ASKAP 不同，这种“趴”在地面上的低频射电望远镜常被科学家戏称为“蜘蛛”，每 16 个“蜘蛛”组成一个“小方阵”，128 个“小方阵”构成了整个默奇森宽场阵列。

　　“MWA 的工作频率范围很宽，在 80MHz~300MHz 之间，它的视场也很大，能够很快地对天区进行巡视。”MWA 项目主任 Randall Wayth 说，“现在我们已经进入第三年的运行了。作为 SKA 的先导项目，MWA 会对 SKA 的关键科学目标进行研究，但它并不会集成在 SKA 中，而是会作为一个独立的望远镜持续工作。”

　　国际合作典范之作

澳大利亚的沙漠里隐藏着一个伟大科学工程

　　西澳州首席科学家 Peter Klinken 坦承，以往澳大利亚在大型国际科技计划中只能算是“慢慢融入”。“因此，SKA 是这个国家第一次领衔一个如此大型的国际合作项目，它对澳大利亚和西澳州来说都是一个难能可贵的机会。”他告诉《中国科学报》记者，“我们相信，SKA 将为射电天文学带来革命性的变化。”

　　由于科技原因，南非台地高原地区和西澳州默奇森郡被选为 SKA 的共同主办地点。其中，高中频反射面天线将主要建设在非洲大陆，而低频天线将主要建设在默奇森地区。

　　这让 SKA 成为一个跨越两块大陆的宏大工程。在 2012 年选址阶段，澳大利亚和南非在为争取主办地展开过激烈的讨论甚至竞争，但最终双方决定联手，将这个望远镜架设在两个大洲上，最大限度地实现人类的科学梦想。

　　这仅仅是一个例子。实际上从一开始，SKA 就是一个国际科技合作的典范之作。除了澳大利亚和南非，加拿大、中国、印度、意大利、新西兰、瑞典、荷兰和英国均是 SKA 的核心成员国，这意味着全世界 40% 的人口都将参与 SKA 的建设。

　　中国是 SKA 的创始国和核心成员国之一，在目前 SKA 公开发布的 11 个工作包中，包括中国科学院、中国电子科技集团公司、清华大学等在内的中国科研机构参与了其中 6 个研发工作。

　　例如，中国电科 54 所承担了 ASKAP 全部 36 个天线的制造任务，突破了铝蜂窝夹层面板，现场可更换单元的模块化设计和现场批量安装免调测等关键技术，天线总体技术指标远超过要求，将 ASKAP 高频信号接收上限提高了一倍。澳大利亚以当地土著居民 Wajarri Yamatji 人语言命名了 36 个天线，而为感谢中国的贡献，第 24 号天线被命名为 Janimaarnu，意为“中国人”。

　　天文之外的无限可能

　　对全世界射电天文学家来说，SKA 是一个美好的未来。但 SKA 能带给人类的，绝不仅仅是天文学，它还涉及无线电、信息科学、力学、机械、计算数学、系统科学、土木工程、新能源等诸多领域。

　　以超级计算为例，有专家预计，SKA 使用的光纤能绕地球两圈，反射面天线每次传输的数据流量相当于全球互联网的 10 倍，在 1 天内收集到的信号可以在一部 iPod 上播放 200 万年……

　　这要求科学家和工程师为 SKA 设计开发一部能进行海量数据传输储存与处理的超级计算机，而将在其中诞生的前沿网络技术，或许会远超人们的想象。

　　就在今年 5 月，SKA 数据处理与高性能计算第三次国际研讨会在中国上海召开。在这次会议上，专家们探讨了未来在上海建设 SKA 亚洲科学中心的可能性。上海市政府代表表示将支持在这里建设 SKA 科学和数据中心，使上海成为 SKA 科学研究的重要基地。

　　中科院上海天文台台长洪晓瑜则认为，建设 SKA 亚洲科学中心是中国成为天文大国的难得机遇，将为中国天文学实现跨越发展提供强大动力。在这个平台上，中国可以利用“第一手”信息，作与世界接轨的研究，取得国际领先的成果。

　　“数据处理、能源供应都将成为 SKA 所面临的巨大挑战。”David Luchetti 坦言，“不过，这也是澳大利亚与其他成员国对这个项目感兴趣的原因。我们都希望能通过 SKA 的建设，推动整个世界科技的进步。”

　　可以预见，在未来十数年中，机遇、困难、未知、挑战将始终伴随着 SKA，但人们不妨期待，在不久的未来，这片荒芜之地会开满科学之花。

　　《中国科学报》 (2016-06-27 第 3 版国际)

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