平方公里陣列

平方公里陣列

“平方公里陣列”(Square Kilometer Array,簡稱SKA)是世界最大的射電望遠鏡項目,這個在20世紀90年代提出的項目,計畫在面積約1平方公里的地區集中建立3000個巨大的碟形天線,建成後比運行的任何射電望遠鏡都要大,靈敏度也更高,將會給射電天文學的研究帶來革命性變化。

概述

建成後SKA陣列核心區域天線陣的效果圖建成後SKA陣列核心區域天線陣的效果圖

20世紀90年代,來自全球20個國家的科學家們在一起籌劃建造全世界最大規模的射電望遠鏡陣列,也就是“平方公里陣列”。其中主要的參加國包括澳大利亞中國法國德國義大利荷蘭紐西蘭南非和英國等。一旦建成,它將極大的幫助科學家們對行星恆星的形成過程,以及宇宙暗能量之謎進行探測,甚至對可能存在的外星人信號進行監聽。

“平方公里陣列”得名於其巨大的信號採集面。這並非意味著它具有1公里的天線口徑,而是採用上千台較小的天線組成陣列。SKA建成後,其靈敏度將比世界上現有(截止到2012年)的設備高出50倍,解析度高出100倍。 該項目預計耗資15億歐元(約合142億人民幣)。按照計畫,工程2016年開工,在2020年年底前完成第一階段施工,全部工程在2024年完成。

設計組成

澳大利亞平方公里陣列射電望遠鏡(ASKAP)澳大利亞平方公里陣列射電望遠鏡(ASKAP)
平方公里陣列(SKA)是阿塔卡馬的大型毫米級/亞毫米級射電望遠鏡陣列(ALMA)項目的延續。它有1平方公里的聚光面積,比超大型天文望遠鏡(VLT)的聚光面積大100倍。有30台干涉射電望遠鏡,每一台都相當於200平方米的聚光面積,還有150台射電望遠鏡,每一台都相當於90平方米的聚光面積,它們將構成一個射電望遠鏡的網路。

它們通過一個光學纖維網路連線在直徑5公里範圍的中央核心區,該核心將集中50%的聚光面積。平方公里級望遠鏡陣列將對現有的大型毫米級/亞毫米級射電望遠鏡陣列或者詹姆斯·韋伯太空望遠鏡(JamesWebbSpaceTelescope-JWST)加以補充,目標為100兆赫茲至25吉赫茲這一頻段。它將提供一些低亮度輻射源的高質量圖像,具有很高的角清晰度,達到毫弧秒的成像能力。

澳大利亞ASKAP望遠鏡

澳大利亞的ASKAP望遠鏡是“平方公里陣列”中第一個建成的部分。ASKAP望遠鏡陣列造價6500萬英鎊,由36架碟形天線組成,每架天線的直徑為12米,所有天線聯合組成單一訊號的天線。據天文學家稱,ASKAP望遠鏡有望在2013年觀測到70萬個新的星系。
ASKAP望遠鏡位於默奇森郡,占地面積5萬平方公里,相當於哥斯大黎加的面積,但居民卻只有120人。這一區域十分理想,因為沒有其他無線電信號的干擾,可以清楚地接收到來自宇宙的信號。利用相位陣饋源(phasedarrayfeeds),望遠鏡能夠更快地掃描天空,其視野場也達到了滿月面積的150倍。

主要使命

探測宇宙探測宇宙

平方公里陣列(SKA)將為天文學家提供一個全新的工具,它能顯示出星系令人難以置信的細節。SKA有助於檢測愛因斯坦相對論,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等。

第一項使命是直接收集從大爆炸到星系出現之前這段所謂“黑暗時期”的信息。

第二項使命是研究星系、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的性質。

存在難點

平方公里陣列(SKA)包含傳統樣式的,可自由轉動的望遠鏡,從而指向天空中任意一片天區進行觀測。 另外一些天線則採用平板設計,而沒有傳統的那種拋物面天線外形。它們將構成相位排列,藉助複雜的電子技術,它們可以不用轉動而迅速鎖定天空中的某一點進行快速反應的觀測活動。將這么多台天線精確的連線起來是一件比較難的事。比如,信號的校準精度必須達到十億分之一秒,而採用的光纖長度足可以繞地球兩圈。並且必需藉助超級計算機對各台計算機之間的數據進行實時的校準。但是一旦開始運行,每一台天線每秒將產生大約20G的數據,一般的電腦電腦硬碟在幾分鐘內就會被填滿。

項目選址條件

平方公里陣列(SKA)的選址至少要滿足2個要求:一是遠離無線電波干擾,二是足夠開闊平坦。在城市裡,受晚上燈光的影響,人們很難觀測星星。同樣道理,射電望遠鏡會受到無線電波干擾。因此必須儘可能遠離無線電波,安裝在人煙稀少的地方。當然,還需要足夠平坦、空曠的場地來安裝。
經過SKA專家的評審,澳大利亞西部和南非西南部被確定為SKA的兩個最佳候選地址。2012年3月該項目負責人米歇爾·萬·霍萊姆透露,有關方面將於4月3日在荷蘭首都阿姆斯特丹討論SKA陣列選址問題。該項目將於2016年開始建設。 2019年,第一期300個射電望遠鏡將投入使用,屆時人類可以看到從未見過的太空景象。2024年前後項目全部完工,2030年底全面投入使用。

2012年5月25日,南非政府宣布,歐洲南方天文台等機構組成的指導委員會當天作出決定,南非和澳大利亞將共同建設平方公里陣列天文望遠鏡項目。平方公里陣列天文望遠鏡項目是由來自全球20個國家的科學家們籌劃建造的全世界最大規模的射電望遠鏡陣列。該項目中三分之二的天線將建在南非和非洲其他地區,另三分之一的天線將建在澳大利亞和紐西蘭。

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