探测宇宙的“世界巨眼”（科技大观）

本文转自：人民日报

秦 波

《 人民日报 》（ 2024年05月13日 第 15 版）

在南非和澳大利亚人烟稀少、广袤无垠的无线电宁静区，一项国际大科学工程——“平方公里阵列”射电望远镜（SKA）正在建设中。作为由全球多国合资建造和运行的新一代射电望远镜，SKA建成后将成为地球上最大、最先进的科学设施之一。

SKA是一种射电干涉阵列式望远镜，其频率范围跨越50兆赫至20吉赫，等效接收面积达平方公里级。它采用双台址方案，中频阵以南非为核心、最终扩展至非洲南部8个国家，由分布在3000公里范围内的2000面15米口径的碟型反射面天线组成；低频阵位于澳大利亚西部，由130万个天线单元组成。两套射电干涉阵在不同频段工作，完全独立运行。SKA将分阶段进行建设：第一期将建设近10%的望远镜单元，已正式开工，预计2029—2030年建成；其余部分将在第二期建设。

大视场、高灵敏度、高分辨率、高动态范围、宽频段……SKA集诸多优势技术于一身，是革命性的新一代天文望远镜。平方公里级的等效接收面积，意味着史无前例的超高灵敏度和科学发现能力，可以发现大量过去无法被探测到的极微弱信号。比如，它可以使银河系内的3万颗脉冲星基本上全部“现形”，而目前人类只发现了其中的1/10；即使在远离地球50光年的星球上使用机场雷达，也逃不过SKA的“火眼金睛”。3000公里的最大基线长度，意味着其具备毫角秒级的超高空间分辨本领，远超哈勃空间望远镜。它将使曾经“模糊不清”的天体以前所未有的清晰度展现在人类面前。当这一“世界巨眼”扫视宇宙时，被它“一网打尽”的宇宙信息量大到超乎想象，其每秒数据量甚至高于目前全球互联网数据流量总和。

在科学层面，SKA肩负着人类认识宇宙和基本物理规律的一些重大科学探索任务。例如，尝试揭示宇宙第一代发光天体的诞生、揭开“宇宙黑暗时代”的科学谜团；以宇宙中最丰富的元素——氢为信使，绘制最大的宇宙三维结构图；探求暗能量、暗物质的基本性质；发现银河系中几乎所有的脉冲星，并用于精确检验引力理论；通过对大量毫秒级脉冲星的精准测时，直接探测来自星系中心的超大质量黑洞所产生的引力波；探求宇宙磁场的起源；探索宇宙生命的起源、寻找地外文明以及探索其他未知领域等。

SKA是中国首个全程参与并扮演重要角色的国际大科学工程，从项目酝酿发起到国际组织创建及规则制定，再到项目管理与建设等。1993年，包括中国在内的10国共同发起了建造SKA的倡议。2011年，中国等7国共同创建了国际SKA组织，该组织于2021年过渡为政府间国际组织——SKA天文台。目前，SKA参加国包括正式成员南非、澳大利亚、英国、中国、意大利、荷兰、瑞士、西班牙、葡萄牙和加拿大，以及观察员印度、法国、德国、瑞典、日本和韩国。中国担任SKA反射面天线工作包联盟主席国，这是中国首次在国际大科学工程中领衔工作包联盟。

自1994年起，以国家天文台南仁东研究员为代表的一批中国射电天文学家，逐步形成了利用中国贵州的喀斯特地貌，建造30面200米口径的巨型反射面天线组成平方公里阵的“中国SKA方案”。2016年9月，以“中国SKA方案”为基础发展出的“中国天眼”——500米口径球面射电望远镜（FAST）在贵州竣工。

FAST是迄今为止世界最大单口径射电望远镜，也是北半球最灵敏的设备，可与位于南半球的SKA形成互补。截至目前，FAST已发现900余颗新脉冲星，在快速射电暴起源、引力波探测等领域产出一系列世界级成果。

近期，FAST又发现了6个距离地球约50亿光年的中性氢星系，这是人类迄今直接探测到的最远的一批中性氢星系。中性氢广泛存在于宇宙的不同时期，是不同尺度物质分布的最佳示踪物之一。对中性氢进行探测研究，对于理解暗物质、暗能量属性，解读星系形成和演化过程等具有重要意义。此前，FAST已发现了4万多个中性氢星系样本。FAST正不断为世界天文贡献中国智慧、为全球工程界提供中国技术。

仰望星空，步履不停。在可预见的未来，“中国天眼”“世界巨眼”将为国际天文界持续探索宇宙带来更多新视角，为引领人类突破认知新领域作出更大贡献。

（作者为中国科学院国家天文台研究员）