平方公里射电阵 (巨型射电望远镜阵列)

平方公里射电阵(Square Kilometre Array,缩写为SKA)是一个巨型射电望远镜阵列,由数千个较小的碟形天线构成,将负责解答一系列科学疑问,其中包括行星如何形成,引力波如何拉伸宇宙的结构以及首批形成的星系如何演化。平方公里射电阵计划始于1993年,项目预计于2024年前后完工,但真正投入使用还要等到2030年底。2012年10月,澳大利亚平方公里阵列射电望远镜(ASKAP)前期项目建设完成并于5日在西澳大利亚州默奇森地区正式启用。

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    1基本介绍

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    平方公里射电阵计划始于1993年。在国际无线电科联在日本京都举行的大会上,10个国家的天文学家联合提议建造这个巨型射电望远镜阵列。

    SKA——平方公里阵列射电望远镜首台天线样机SKA——平方公里阵列射电望远镜首台天线样机

    平方公里射电阵(Square Kilometre Array,缩写为SKA),它是一个巨型射电望远镜阵列。“

    平方公里”这个名字就是为了突出其所覆盖面积之大。SKA并不是一个直径达到1公里的射电碟形天线,而是由数千个较小的碟形天线构成。国际SKA项目负责人理查德·斯基利齐表示:“碟形天线将采用椭圆形设计,直径大约在15米左右,由于造价必须低廉加之所需数量多达3000,它们的构造较为简单。” 

    迄今为止,来自20个国家的参与者已经投入15亿欧元(约合20亿美元)。这一项目预计于2024年前后完工,但真正投入使用还要等到2030年底。

    2建造原因

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    之所以建造一个如此巨大的阵列的原因在于:无线电波的波长远远超过可见光。一架光学望远镜的观测波长可达到10毫米,将其“放大”到射电天文学研究需要的厘米波长遭遇挑战。e-Merlin望远镜阵列——坐落于英国曼彻斯的乔德莱尔·班克射电天文台——负责人西蒙·加林顿指出:“为了获得与先进光学望远镜同样的观测细节,你需要镜面直径100公里的望远镜。很显然,你不可能建造一架口径100公里的望远镜,但你可以建造一个望远镜网络,通过将它们连接在一起达到同样的效果。”

    SKA的灵敏度将达到目前地球上任何射电望远镜阵列的50倍,解析度则将是后者的100倍。

    3选址之争

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    SKA阵列建造地点的争夺异常激烈,初期选址有澳大利亚、南非、中国、阿根廷四个国家参加了角逐。2006年9月,中国和阿根廷的方案分别由于地理条件以及电离层不稳定而遭到否决。

    澳大利亚和南非因良好的无线电环境成为最后的候选者。澳大利亚的候选台址位于其西部,距离米卡萨拉(Meekatharra)大约100公里,南非候选站址位于北开普省的卡鲁盆地,距离卡那封(Carnarvon)大约95公里,部分天线将位于博茨瓦纳、纳米比亚、莫桑比克、马达加斯加、毛里求斯、肯尼亚、加纳等周边国家。SKA项目南非负责人伯尼·法纳罗夫表示:“最为重要的是找到一个受无线电传输干扰极小的地区。如果建造地附近存在任何强广播信号,那就像是在太阳升起时观察天空中的星星一样。你不希望被手机信号覆盖,也不希望周围有很多人和汽车存在。我们在进行最初的测试中发现,就算是坐到一个塑料椅上这样微不足道的事情也会产生干扰。”

    在完成的阵列中,大约有50%的碟形天线位于中部5公里范围内,25%位于向外200公里范围内,最后的25%则位于最外部3000公里范围内。根据南非的提议,碟形天线将建在纳米比亚、博茨瓦纳、莫桑比克、马达加斯加、赞比亚、毛里求斯、肯尼亚和加纳。根据澳大利亚的提议,这个阵列将最远延伸至新西兰。竞标负责人布莱恩·博伊勒表示:“澳大利亚建议的核心地点默奇森射电天文台座落于地球上一个人口最为稀少的地区。选择澳大利亚和新西兰可以让望远镜阵列覆盖5500公里的区域。”

    4光缆长度

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    SKA阵列的天线包括传统曲面碟形天线,能够将无线电波聚集,其他天线则为平板式天线。这个阵列将以一个相控天线阵的形式投入工作,由于采用先进的电子设备,将时间间隔以及到达阵列不同区域的相同无线电信号等因素考虑在内,SKA阵列无需移动便可立即定向。

    SKA项目筹备阶段英国负责人、乔德莱尔·班克天文台的克里斯·申顿表示,这允许望远镜一次观测不同方向。“我们可以按照自己的需要观测很多方向的无线电波,这是一种优势,可以同时进行多项实验。例如,可以对一个无线电波进行研究,同时对另一个进行非常详细的观测。”

    然而,构建这样一个网络绝非易事。信号同步精度必须达到十亿分之一秒,所需光缆数量也是一个惊人数字,连接在一起的长度可绕地球两周。完成连接工作之后,电脑还要对每一对碟形天线进行比较。每架望远镜一秒钟可产生大约20GB数据,足以在短短几分钟内装满存储量最大的电脑硬盘。斯基利齐说:“我们需要拥有巨大的数据处理能力,根据我们的估计,只有世界上最强大的超级计算机才能胜任这项工作。”

    5项目责任

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    SKA阵列将负责解答一系列科学疑问,其中包括行星如何形成,引力波如何拉伸宇宙的结构以及首批形成的星系如何演化。牛津大学的史蒂夫·劳林斯希望SKA阵列能够揭开暗能量的谜团。他说:“平方公里阵列就像是一台时间机器。如果能够看的更远,你所观察到的宇宙就更为年轻,进而了解宇宙膨胀过程。暗能量似乎加速宇宙膨胀,我们将发现这种能量并有可能揭开其真面目。” SKA项目科学家、美国宇航局喷气推进实验室的约瑟夫·拉齐奥希望SKA阵列能够上演一个更令人兴奋的发现,即发现地球以外世界的无线电信号。他说:“SKA阵列将拥有足够的灵敏度,能够发现人为产生的无线电信号,进而找到一些距离我们最近的恒星系统内的类地行星。也许在50年内,我们便可发现另一个在科技方面与我们相当接近的文明。”SKA阵列一定会上演一系列预料内和预料外的重大发现。“SKA阵列将成为一个真正意义上具有变革性的科学仪器。我们将得出一系列出人意料的发现。”

    由于有了耗资13亿英镑(20.55亿美元)的平方公里射电阵(SKA),有关宇宙的一些未解之谜,最终将会找到答案。它将收集大量有关宇宙的信息,为了处理这些数据,我们需要一台功能相当于10亿台个人电脑的超级电脑。

    6项目意义

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    平方公里射电阵将由直径是1900英里(3057.75公里)的数千个表面积是1平方公里的蝶形天线组成,它将为人类提供大量有关宇宙的数据,一位天文学家曾称,它会彻底改变我们对宇宙的看法。英国协会科学和发现中心的伊恩-格里芬博士说:“平方公里射电阵计划将为天文学家提供一个新工具,彻底改变我们对宇宙的了解。由于面积庞大,这个望远镜将会显示出星系令人难以置信的细节,通过研究激动人心的神秘天体,例如黑洞,有助于检测爱因斯坦的相对论,让天文学家了解更多早期宇宙史。”

    该科学机构还认为,如果我们的太阳系以外确实存在生命,平方公里射电阵将为发现它们提供最佳机会。要想达到这个目的,还需要突破性技术。平方公里射电阵的直径15米的蝶形天线将是有史以来建设的最为灵敏的天文设备,它能发现太空中的天体发出的电磁辐射,并能发现距离地球50光年的一颗行星上的机场雷达信号。这些蝶形天线将由低频和中频孔径阵列提供帮助,后者会为我们提供一个大型视场,每次用它不只能观察一片天空。这台望远镜获得的数据将会多得惊人,数据传输速度为每秒几贝脱比特(petabits),或者大约是当前全球网络流量的100倍,每天能装满1500万个64GB的iPod。为了分析这些数据,需要制造一台每秒运行一百万万亿次的超级电脑,它比当前最强大的电脑的运行速度快1000倍。修建平方公里射电阵需要大量智囊团,目前20个国家的67个组织参与了它的设计和制造工作。

    7前期项目

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    2012年10月5日,澳大利亚联邦科学与工业研究组织表示,澳大利亚平方公里阵列射电望远镜(ASKAP)项目建设完成并于当天在西澳大利亚州默奇森地区正式启用。

    ASKAP的36台独立碟状天线每个直径12米,它们将以前所未有的精度和速度捕捉宇宙射电波。项目所在地默奇森地区距离西澳大利亚州首府珀斯650公里,人烟稀少,被认为是世界上最佳的无线电静默区之一。

    这一项目是世界最大射电望远镜“平方公里阵列”(SKA)的前期项目,整个SKA项目将包含数千个碟状探测装置,分布在澳大利亚、新西兰和南非等地。它将帮助科学家探索宇宙更为深层次的问题,如暗物质、暗能量、恒星和星系的起源等。

    澳大利亚联邦科学与工业研究组织首席执行官梅甘·克拉克说,目前的射电望远镜绘制半人马座A星系的图像需要1200小时,而有了SKA望远镜,则只需要10分钟,“我们进入了绘制宇宙地图的新时代”。

    中国经济网北京2月13日讯 (实习记者 李梓珩)据澳大利亚《时代报》2月13日报道:澳大利亚科技部长克里斯-埃文斯(Chris Evans)正在积极寻求国际支持,以促使澳大利亚成为史上最大的平方公里射电阵项目(Square Kilometre Array,缩写为SKA)的建设地。平方公里射电阵是一个巨型射电望远镜阵列,它比任何现存望远镜的精度都要高,将为人类提供大量有关宇宙的数据,为人类解答一系列科学疑问。

    该项目造价超过20亿美元,目前其竞争对手是南非。迄今,澳大利亚政府已投资逾3亿美元用于射电基础设施建设,以助澳大利亚胜过南非而成为项目最终选址。若项目最终落户澳大利亚,将对其带来极大的天文科学和经济效益。

    8最新进展

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    2015年

    中国参与研发的世界最大射电望远镜阵项目向建设迈出关键一步

    2015年3月10日从中国科学院获悉,中国参与研究、研发的国际大科学工程——平方公里镜阵射电望远镜(Square Kilometre Array, SKA)项目取得重要进展:“平方公里镜阵”第一阶段(SKA1)建设方案已最终确定,并得到董事会通过。这标志着世界最大的射电望远镜阵进入了建设准备阶段的后期,并向建设阶段迈出了关键一步。

    宇宙中充斥着各种各样的电磁波,有的微弱,有的强大。作为比目前的任何既有设备都要先进的“平方公里镜阵”,旨在捕捉这些电磁信号,收集从宇宙大爆炸到星系出现之前的“黑暗时期”信息;研究星系、恒星的产生和发展,以及充斥宇宙大部分的暗能量和暗物质的性质;帮助解释生命起源、探查外星生命存在,将为人类探索宇宙奥秘带来新的革命。

    据了解,“平方公里镜阵”第一阶段建造费用共计6.5亿欧元,它由两套世界领先的望远镜设备构成,位于南非的约200面抛物面天线组成的蝶形天线阵,以及位于澳大利亚的由超过10万个偶极天线(类似于家用电视天线)组成的低频孔径阵列。

    SKA科学主任Robert Braun说,“这两套互补望远镜将使我们得以开展一系列激动人心的科学研究,例如,通过观测脉冲星和黑洞来探测爱因斯坦所预言的引力波、检验万有引力理论、及搜寻地外生命的蛛丝马迹。”

    “‘平方公里镜阵’下一步工作是与各成员国一道,在2018年‘平方公里镜阵’开始建造之前,将其目前的架构发展为一个国际性组织”,SKA董事会主席John Womersley教授表示,“平方公里镜阵射电望远镜的设计令人难以置信,它控制在预算之内,其建设即将启动,将驱动大数据时代的技术发展,将产生诺贝尔奖级的科学成果。简言之,它将成为史上少有的几个对整个社会产生不可估量影响的科学项目。”

    诚如这位科学家所说,“平方公里镜阵”将于2018年开始建造,并将于2020年开始产出最早的科学成果。目前,国际SKA组织有11个正式成员国组成,分别是:澳大利亚、加拿大、中国、德国、印度、意大利、新西兰、南非、瑞典、荷兰、英国。其中,南非与澳大利亚还是台址国。

    2018年

    千面天线从中心向外呈旋臂状铺展,延伸着长长的“触角”,恰似一只“巨眼”,用世界最大的天线阵列射电望远镜探秘宇宙:2018年2月6日下午,SKA——平方公里阵列射电望远镜首台天线样机在河北石家庄正式启动,这标志着由中国主导研制的SKA反射面天线即将进入正式建设阶段。

    组成阵列的望远镜接收面积达1平方公里、足有140个足球场大,比目前最大的射电望远镜阵列灵敏度提高50倍。SKA总干事菲利普·戴蒙德评价说,作为多国合作的国际大科学工程,SKA将为人类认识宇宙提供历史新机遇。


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    • 更新时间:2018-02-07
    • 创建者:jiangmingjun
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