平方公里陣列天文望遠鏡

平方公里陣列天文望遠鏡

“平方公里陣列”天文望遠鏡是國際天文學界建造的世界最大綜合孔徑射電天文望遠鏡,擁有3000個直徑15米拋物面蝶形天線和250組中頻和低頻孔徑陣列,分布範圍大於3000公里,光線收集區總面積約1平方公里,因此得名“平方公里陣列”。

基本信息

建設歷程

選址要求

為防止震動和靜電對設備靈敏度產生干擾,“平方公里陣列”選址和建設條件極為苛刻,附近不能有廣播和其他無線電信號,不能有太多居民,不能有汽車往來,還需要足夠平坦、空曠的場地安裝蝶形天線。
SKA的選址至少要滿足兩個條件:一是必須遠離無線電波干擾,二是有足夠平坦、空曠的場地來安裝數千個天線。其他要考慮的因素包括當地無線電靜默區的長期穩定性、建設區域的地理特點、長距離數據網路連通情況、運營和建設費用、工作環境和政治因素等。

選址確定

經過SKA專家的評審,澳大利亞和南非進入最後的角逐,兩國為爭取SKA項目做出了不懈的努力。
南非2008年通過《天文地理優勢法案》,對SKA計畫落戶的北開普省卡魯地區實施法律保護,對該地區的人為活動和電磁信號進行嚴格約束。為了給SKA項目做前期技術準備,南非從2004年開始推出MeerKAT項目——一個由64個直徑為13.5米的碟形天線組成的陣列,預計在2016年全部完成。為了克服南非地理面積小的局限,南非聯合波札那、加納、肯亞、馬達加斯加、模里西斯、莫三比克、納米比亞和尚比亞8國共同申請,並得到了非盟的支持。
澳大利亞為獲得該項目也做了多方面的準備,包括與紐西蘭聯合申請,推出SKA探路者項目ASKAP——一個由36個直徑為12米的碟型天線組成的陣列,建設默奇森射電天文觀測站等等。
2012年5月25日,南非科技部長娜萊迪·潘多爾在比勒陀利亞宣布,南非和澳大利亞共同獲得平方公里陣列天文望遠鏡項目承辦權。這標誌著歷時9年的選址競爭落下帷幕,世界最大天文望遠鏡項目從此開始進入建設階段。
“平方公里陣列”項目最初是20世紀90年代由包括中國在內的20個國家的70家科研機構提出並籌劃投資設計的,項目預計耗資16億美元,主體建在南非,其他部分分布在非洲8個國家、澳大利亞和紐西蘭,總部暫時設在英國曼徹斯特大學卓瑞爾河岸天文台。

項目規劃

為了使SKA更加具有包容性,SKA最高決策機構——SKA組織荷蘭阿姆斯特丹召開會議後作出最終決定,SKA的建設採取雙址方案。具體為,在SKA建設第一階段,絕大部分碟形天線將建在南非,南非正在建設的MeerKAT將作為其中的一部分;另有少部分碟形天線將建在澳大利亞,澳大利亞正在建設的ASKAP也作為其中一部分。在SKA建設的第二階段,所有碟形天線和中頻孔徑天線陣列將建在南部非洲。第一、第二階段的所有低頻孔徑天線陣列將建在澳大利亞和紐西蘭。
SKA項目預計建設費用為15億歐元,建成後每年的運營維護費用估計需要1億至1.5億歐元。按照計畫,2012年完成選址工作;2013年至2015年為詳細設計和預建設階段;2016年至2019年建設一期工程,並於2020年開始運行;2018年至2023年建設二期工程,並於2024年開始運行。
按照計畫,該項目將在2016年開工,2024年完成,而實際上第一組蝶形天線已開始建造。到2014年底,首批4個蝶形天線將安裝在卡魯地區,到2016年底所有64個蝶形天線將安裝完畢,全部的安裝調試工作將於2017年結束。

主要性能

平方公里陣列的驚人性能,它能探測10光年之外的雷達信號,觀測到130多億年前宇宙大爆炸開始不久的宇宙現象,中央計算機處理能力相當於1億台台式機,單日收集的數據如果在iPod上播放需200萬年完成,每天傳輸的數據超過目前全部網際網路流量,使用的光纖足夠環繞地球兩圈。
這是一項國際大科學工程,是國際天文學界建造的世界最大綜合孔徑射電天文望遠鏡,頻率覆蓋70兆赫茲至25吉赫茲頻段,建成後比目前最大的射電望遠鏡EVLA靈敏度提高約100倍,搜尋速度提高約1萬倍,將為人類認識宇宙提供巨大機遇。在本世紀將至少保持30年的領先地位。

主要困難

“平方公里陣列”也面臨很多困難,如資金籌措、國際協調、非洲教育落後、科技投入不足等。
組成SKA的每一個天線都將通過光纖與數據處理中心連線,所需光纜數量連線在一起的長度可繞地球兩周。每個碟形天線每秒鐘將產生1600億比特的數據,而中、低頻孔徑天線陣列每秒鐘更是將產生數千萬億比特的數據量,是全球網際網路流量的100倍還多。對如此多的海量信息進行處理和篩選也是一個巨大的挑戰。科學家稱,必須要有一台每秒運行速度達到10萬萬億次的超級計算機才能滿足需求,這比目前世界上最快的超級計算機還要快出10倍。
另外,要使分布在數千公里範圍內的幾千個天線同步工作,對時間的精度要求極高。對高頻天線來說,時間精度必須達到皮秒級(1萬億分之一秒)。

主要功能

探尋宇宙的奧秘
平方公里陣列天文望遠鏡(SKA)是多個國家的科學家們籌劃建造的迄今為止全世界最大規模的射電望遠鏡陣列,也是最大的天文學國際合作項目。根據設計規劃,SKA將採用三種類型的無線電波接收天線陣列,即高頻碟形天線陣列、中頻孔徑天線陣列和低頻孔徑天線陣列,覆蓋頻率從70兆赫茲至10000兆赫茲。其中高頻碟形天線陣列由3000多個直徑為15米左右的碟形天線組成。這些天線在中心區域將呈高密度排列,然後沿著5條向外擴展的螺鏇臂,按對數規則排列,離中心越遠,密度越低。最遠的天線離中心的距離將超過3000公里。
SKA建成後,所有天線匯集起來,組成了一個超級射電望遠鏡,其信號採集區域與一個面積為1平方公里的碟形天線相當,平方公里陣列天文望遠鏡因此得名。其靈敏度將比世界上現有的天文望遠鏡高出50倍,解析度高出100倍,掃描速度也將提高1萬倍。SKA甚至可以捕捉到距離50光年以外的一個機場雷達信號。SKA陣列中包含有可自由轉動的望遠鏡,因此它可以對天空中任意一片區域進行觀測,還能夠同時掃描多個區域。

主要影響

“平方公里陣列”為天文學家提供了一個全新的工具,引領射電天文學革命。它有助於驗證愛因斯坦的相對論,讓天文學家了解更多早期宇宙史;有助於解釋生命的起源、幫助探查外星生命的存在等。其主要使命是收集從宇宙大爆炸到星系出現前所謂“黑暗時期”的信息,研究星系、恆星的產生和發展,研究充斥宇宙大部分的暗能量和暗物質性質。它涉及天文、無線電、信息科學、力學、機械、計算數學與系統科學、土木工程等眾多領域,集成眾多高科技成果。
中國全程參與了“平方公里陣列”科學目標探討、關鍵技術及相關路線圖全球協調。“平方公里陣列”是我國繼國際熱核聚變實驗堆計畫後參加的第二個國際大科學工程,這將提升國內相關領域自主創新能力,促進高科技產業發展,成就國際大科學工程“中國製造”和“中國創造”的里程碑,也是我國天文學全面提升的機遇,更是當今最重要的國際合作機會之一。
未來數十年“平方公里陣列”將掀起非洲大陸天文學發展熱潮,南非天文台台長托德表示。不僅如此,“平方公里陣列”正在惠及當地經濟。卡那封鎮外巨大的“平方公里陣列”廣告牌表明了天文學給小鎮帶來的變化。鎮上現在開通了每周一次的航班,主要運送科學家。人口不足6000人的小鎮也上了電視台的天氣預報。南非總統祖馬在視察卡那封后表示,政府將在此規劃建設北開普省第一所大學。

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