為什么我們需要SKA?

SKA是“平方千米（射電望遠(yuǎn)鏡）陣列”的簡(jiǎn)稱(chēng)。它并不是一個(gè)單獨(dú)的巨大口徑的望遠(yuǎn)鏡，而是數(shù)千個(gè)較小的探測(cè)裝置組成的陣列，從而形成一個(gè)巨大的信號(hào)采集面。這些天線將分布在多個(gè)地區(qū)，它們的探測(cè)結(jié)果可以匯總起來(lái)獲得觀測(cè)圖像。由于SKA的分辨率極高，視場(chǎng)巨大，所以它研究的內(nèi)容涵蓋了天文學(xué)的所有重大課題，包括恒星和星系的演化、類(lèi)星體、脈沖星、超新星爆發(fā)、外星生命、暗物質(zhì)和暗能量等。

毫無(wú)疑問(wèn)，SKA將成為地球上又一個(gè)科學(xué)奇觀。人們所關(guān)心的是，這個(gè)巨大的“天眼”會(huì)被安放在哪里？最新消息傳來(lái)，SKA組織發(fā)布公告稱(chēng)，SKA項(xiàng)目的大部分，即三分之二的天線將建在南非，還有一部分將建在澳大利亞和新西蘭。SKA建成后將成為世界上最大的射電望遠(yuǎn)鏡。

開(kāi)啟射電窗口

自人類(lèi)用望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)宇宙以來(lái)，在開(kāi)始的一段時(shí)間里一直是在可見(jiàn)光的引導(dǎo)下認(rèn)識(shí)宇宙的。不論是恒星、行星、星云、星團(tuán)，還是星系，只要有可見(jiàn)光，我們便會(huì)找到它們，認(rèn)識(shí)它們。后來(lái)，紅外線、紫外線、X射線、伽馬射線等都漸漸地被用來(lái)觀測(cè)宇宙，這其中還包括無(wú)線電波，所以現(xiàn)今的天文學(xué)是一種全波段的天文學(xué)。全波段天文學(xué)中的一扇重要“窗口”是無(wú)線電波，它被稱(chēng)為“射電窗口”，這個(gè)窗口的開(kāi)啟是人類(lèi)認(rèn)識(shí)宇宙的一件大事，它開(kāi)創(chuàng)了一門(mén)嶄新的射電天文學(xué)，為人類(lèi)展現(xiàn)了一幅與此前完全不同的新宇宙圖景。然而，引發(fā)這一巨大變革的并不是一位天文學(xué)家，而是美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的一名電器工程師——央斯基。

1931年，央斯基在利用天線研究雷暴天氣如何干擾通訊信號(hào)時(shí)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)可能來(lái)自宇宙中遙遠(yuǎn)天體的干擾源。央斯基的天線設(shè)備很簡(jiǎn)陋，但它探測(cè)到了天體的無(wú)線電信號(hào)，因此也就成了世界上最早利用射電波觀測(cè)宇宙的天文設(shè)備——射電望遠(yuǎn)鏡。

天體究竟有沒(méi)有無(wú)線電輻射，這在當(dāng)時(shí)是一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)榇饲罢l(shuí)也沒(méi)有想到它們會(huì)發(fā)出強(qiáng)烈的無(wú)線電波。許多人對(duì)央斯基的發(fā)現(xiàn)持懷疑態(tài)度，但美國(guó)的另一位無(wú)線電工程師雷伯卻堅(jiān)信央斯基的發(fā)現(xiàn)是真實(shí)的，他在他家的后院也安裝了一個(gè)天線，利用這個(gè)天線，他證實(shí)了央斯基的發(fā)現(xiàn)。這個(gè)天線的主體是一個(gè)直徑約9米的金屬拋物面，它有點(diǎn)像模像樣了，可以說(shuō)是人類(lèi)第一臺(tái)真正為天文觀測(cè)而制造的射電望遠(yuǎn)鏡。射電望遠(yuǎn)鏡的成像過(guò)程比光學(xué)望遠(yuǎn)鏡復(fù)雜，它要不停地記錄接收到的數(shù)據(jù)，然后通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的處理獲得所觀測(cè)天區(qū)的圖像。

如今，80多年過(guò)去了，射電望遠(yuǎn)鏡也發(fā)生了巨大的改變。為了不斷提高分辨率，人們除了增加射電望遠(yuǎn)鏡的口徑外，還發(fā)明了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，包括射電干涉儀、甚長(zhǎng)基線干涉儀、“綜合孔徑”系統(tǒng)等。有了這些技術(shù)，人們便可以用布設(shè)射電望遠(yuǎn)鏡陣列的方法提高分辨率，還可以把多個(gè)地方的射電望遠(yuǎn)鏡聯(lián)系起來(lái)組成一臺(tái)巨型的虛擬望遠(yuǎn)鏡，這樣的組合使射電望遠(yuǎn)鏡有了不可思議的觀測(cè)能力。

1993年，包括中國(guó)在內(nèi)的10個(gè)國(guó)家的天文學(xué)家聯(lián)合提議建造一個(gè)由3000臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡組成的巨型射電望遠(yuǎn)鏡陣列，其中一半位于中央?yún)^(qū)一個(gè)直徑5千米的范圍內(nèi)，其余則從中心向外延伸，排列得像一個(gè)伸出“旋臂”的螺旋星系。它是一個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò)，光纜將每個(gè)望遠(yuǎn)鏡連接在一起，巨型計(jì)算機(jī)同步處理接收到的數(shù)據(jù)，從而顯示天體的細(xì)節(jié)。由于它的接收面積為一平方千米，所以它被人們稱(chēng)為“平方千米（射電望遠(yuǎn)鏡）陣列”（Square Kilometer Array），簡(jiǎn)稱(chēng)SKA。

揭開(kāi)類(lèi)星體之謎

SKA毫無(wú)疑問(wèn)是人類(lèi)的一個(gè)雄心勃勃的科學(xué)計(jì)劃，象征著人類(lèi)射電天文學(xué)輝煌的未來(lái)，但它能讓我們看到什么呢？為什么我們需要這樣龐大的設(shè)備？它又將如何改變我們對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)？要回答這些問(wèn)題，我們必須首先知道此前的射電天文學(xué)已經(jīng)為我們展現(xiàn)了怎樣的宇宙圖景。

射電望遠(yuǎn)鏡出現(xiàn)后，天文學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了越來(lái)越多的有射電輻射的天體，它們被稱(chēng)為射電源。有些射電源很奇怪，它們看似恒星，但又不是恒星，它們離我們極其遙遠(yuǎn)，而且還以極快的速度遠(yuǎn)離我們。它們處在如此遙遠(yuǎn)的地方卻能被我們探查到，這說(shuō)明它們具有極高的能量。它們是什么？為什么如此明亮又如此活躍？天文學(xué)家們一時(shí)找不到答案，于是就把這種奇怪天體稱(chēng)為類(lèi)星體。

類(lèi)星體是一個(gè)天文學(xué)之謎，即使在今天，我們對(duì)它們的認(rèn)識(shí)也只是剛剛有了一點(diǎn)眉目。天文學(xué)家大多同意，類(lèi)星體是活動(dòng)星系的不可思議的核。所謂活動(dòng)星系是相對(duì)于正常星系而言的。我們的銀河系就是一個(gè)正常星系，這種星系很普遍，在人們觀測(cè)到的所有星系中占98%，它們的活動(dòng)已趨于平靜，而活動(dòng)星系則存在著大規(guī)模的劇烈活動(dòng)。天文學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，活動(dòng)星系的核其實(shí)很小，但光度卻大得驚人，乃至于搶奪了天文學(xué)家們的所有視線。

活動(dòng)星系核為什么如此亮呢？現(xiàn)在的解釋是，在活動(dòng)星系中隱藏著一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的“超大質(zhì)量黑洞”，正是這個(gè)黑洞使活動(dòng)星系有了極高的光度。由于黑洞的存在，黑洞周?chē)蕡A盤(pán)狀聚集的氣體和塵埃便爭(zhēng)先恐后地向黑洞的中心墜落，導(dǎo)致活動(dòng)星系中心部分的物質(zhì)非常密集，溫度極高，能量極大。當(dāng)物質(zhì)密集到一定的程度，且溫度也升高到一定的程度后，這些密集的物質(zhì)就要尋找逃逸的出口了，于是兩道高能?chē)娚潆x子流從黑洞的兩端向宇宙空間噴射出來(lái)。類(lèi)星體就這樣被黑洞所“點(diǎn)燃”，它變得極為明亮，所以簡(jiǎn)單地說(shuō)，類(lèi)星體就是被黑洞“點(diǎn)燃”了的活動(dòng)星系。

類(lèi)星體是射電天文學(xué)的一個(gè)重大發(fā)現(xiàn)，它揭示星系的發(fā)展歷程，因?yàn)轭?lèi)星體其實(shí)就是正常星系的幼年階段，代表了星系一生中最躁動(dòng)不安的“青澀”年代。然而射電天文學(xué)的貢獻(xiàn)還不只如此，因?yàn)樗€發(fā)現(xiàn)了射電脈沖星。

發(fā)現(xiàn)脈沖星

在脈沖星被發(fā)現(xiàn)以前，有科學(xué)家已經(jīng)預(yù)言了完全由中子組成的致密星——中子星的存在。根據(jù)推算，中子星的密度高得驚人，直徑只有幾十千米，質(zhì)量卻比太陽(yáng)還要大。

這樣的星是否真的存在？人們一直沒(méi)有答案。直到20世紀(jì)60年代后期，由于大型射電天文望遠(yuǎn)鏡的出現(xiàn)，人們才終于發(fā)現(xiàn)了幾個(gè)神秘的射電源，它們都有奇異的快速脈沖輻射，因此叫脈沖星。其中最為人們熟知的是蟹狀星云中的一顆脈沖星，它的脈沖信號(hào)以0.033秒為一個(gè)周期。

科學(xué)家們終于想到了那個(gè)預(yù)言，那就是中子星。原來(lái)，當(dāng)一顆有相當(dāng)質(zhì)量的恒星發(fā)生爆炸時(shí)，它的中心部分因反作用力而向內(nèi)壓縮，由此形成的壓力大到足以使電子失去電性而成為中子，于是便誕生了一顆中子星。中子星在體積縮小時(shí)轉(zhuǎn)速會(huì)加快，同時(shí)釋放大量的能量。它的磁軸往往與自轉(zhuǎn)軸有一定的角度，所以當(dāng)以磁軸為中心的輻射錐掃過(guò)地球時(shí)，地球上的射電望遠(yuǎn)鏡就能收到一個(gè)脈沖信號(hào)。蟹狀星云中的中子星的脈沖信號(hào)以0.033秒為一個(gè)周期，表明這顆中子星在以每秒30周的速度自轉(zhuǎn)著。研究顯示，蟹狀星云中的中子星是一顆超新星爆發(fā)的產(chǎn)物。當(dāng)時(shí)，一顆恒星坍縮變成了一顆超新星，蟹狀星云就是那次超新星爆發(fā)留下的殘骸，而那顆中子星則是恒星坍縮后留下的星核。就這樣，射電天文學(xué)對(duì)脈沖星的發(fā)現(xiàn)和研究證實(shí)了中子星預(yù)言的正確性，同時(shí)也把恒星的演化過(guò)程完整地展示在了人們面前。

探尋宇宙“黑暗時(shí)期”

對(duì)類(lèi)星體和脈沖星的發(fā)現(xiàn)，是20世紀(jì)60年代射電天文學(xué)迅速發(fā)展起來(lái)后取得的巨大成就。它的另外兩項(xiàng)重要成就是發(fā)現(xiàn)了宇宙大爆炸的微波背景輻射和彌漫于星際空間的星際分子，尤其是星際有機(jī)分子，這為解釋宇宙生命的起源提供了一個(gè)嶄新的視角。

現(xiàn)在，讓我們像倒放膠片一樣來(lái)回顧一下我們觀測(cè)宇宙的歷史吧。開(kāi)始的時(shí)候，我們看到的是現(xiàn)在的宇宙，有璀璨的恒星、星團(tuán)、星系和星云，還有被它們照亮的行星和衛(wèi)星。再往前，我們看到了它們的演化：超新星爆發(fā)、星系的碰撞和合并，它們?cè)诟鞣N波段下向我們展現(xiàn)了令人驚異的壯麗圖景。我們還看到在十分遙遠(yuǎn)的地方像焰火一樣照亮宇宙的伽馬射線暴，這是宇宙早期恒星相互碰撞或發(fā)生爆炸所產(chǎn)生的結(jié)果。那些星離我們是如此遙遠(yuǎn)，乃至于當(dāng)年產(chǎn)生的閃光在宇宙中穿行了100億年甚至更長(zhǎng)時(shí)間后才在今天被我們看到。當(dāng)然，我們還看到了類(lèi)星體、發(fā)現(xiàn)了脈沖星和黑洞。至此，我們看到的是一個(gè)充滿了光的宇宙。但再往前，當(dāng)我們的視線延伸到130億年之前時(shí)，我們的宇宙忽然倒退到了一個(gè)“黑暗時(shí)期”，那時(shí)宇宙沒(méi)有任何發(fā)光天體，唯一的“光源”是正在逐漸降溫的宇宙微波背景輻射。

天文學(xué)家們推測(cè)，在宇宙的“黑暗時(shí)期”，由于引力的不穩(wěn)定性，宇宙中出現(xiàn)了一些“暗暈”，它是暗物質(zhì)聚集的團(tuán)。“暗暈”吸收普通物質(zhì)，啟動(dòng)恒星和星系的形成，在星系的產(chǎn)生和發(fā)展中扮演至關(guān)重要的角色。正是暗物質(zhì)的引力引發(fā)了宇宙第一代發(fā)光天體的誕生，產(chǎn)生了最早的恒星和星系。

研究宇宙的“黑暗時(shí)期”是現(xiàn)代天文學(xué)的一個(gè)重大課題。這也是人們對(duì)SKA寄予厚望的原因，因?yàn)镾KA的觀測(cè)靈敏度是目前地球上任何射電望遠(yuǎn)鏡陣列的50倍，分辨率是后者的100倍，掃描太空的速度是現(xiàn)今在這方面表現(xiàn)最佳的望遠(yuǎn)鏡的1萬(wàn)倍。天文學(xué)家們相信，SKA將是史無(wú)前例的“時(shí)間機(jī)器”，它能把我們帶到宇宙大爆炸后的早期宇宙，讓我們研究黑暗時(shí)期的宇宙狀態(tài)，包括暗物質(zhì)，暗能量等現(xiàn)代物理學(xué)和現(xiàn)代天文學(xué)的重大問(wèn)題。

為黑洞“留影”

SKA還將被用來(lái)研究黑洞，這也是現(xiàn)代物理學(xué)和現(xiàn)代天文學(xué)的另一個(gè)“熱點(diǎn)”。黑洞的概念最早是由愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論導(dǎo)出的，在隨后的數(shù)十年間又經(jīng)過(guò)了大量的觀測(cè)和驗(yàn)證，但人們從來(lái)沒(méi)有直接看到過(guò)黑洞，也沒(méi)有拍攝到黑洞的照片。

現(xiàn)在可以基本肯定的是，一個(gè)神秘的超大質(zhì)量黑洞就隱藏在銀河系的中心，它的質(zhì)量是太陽(yáng)質(zhì)量的400萬(wàn)倍，距離地球約26000光年。科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，接近銀河系中心的恒星運(yùn)行得非常快，這被認(rèn)為是超大質(zhì)量黑洞存在的有力證據(jù)，因?yàn)槟切┖阈堑摹胺闯！毙袨檎呛诙吹囊υ斐傻摹?/p>

但黑洞不發(fā)光，又如何為它拍照呢？不用擔(dān)心，功能強(qiáng)大的射電望遠(yuǎn)鏡可以做到。由于黑洞的周?chē)行D(zhuǎn)下降的物質(zhì)流，它們?cè)趬嬋牒诙吹倪^(guò)程中溫度極高，能量極大，因而能被射電望遠(yuǎn)鏡探測(cè)到。有了這些能量的數(shù)據(jù)，科學(xué)家們便能勾勒出黑洞的外部輪廓，這個(gè)輪廓被稱(chēng)為黑洞的“視界”。假若人們真的得到了“視界”的成像，那么愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論就能夠得到驗(yàn)證。這曾經(jīng)被認(rèn)為是一個(gè)遙不可及的夢(mèng)想，但現(xiàn)在人們相信，如果有了SKA，再加上與其他望遠(yuǎn)鏡，例如正在建設(shè)中的射電望遠(yuǎn)鏡陣列ALMA相組合，這個(gè)夢(mèng)想就不難實(shí)現(xiàn)。

“小綠人”，你在哪里？

在人們發(fā)現(xiàn)射電脈沖星的時(shí)候，還有一個(gè)小插曲。開(kāi)始的時(shí)候，面對(duì)神秘的射電脈沖信號(hào)，科學(xué)家們首先想到的并不是中子星，而是“小綠人”，這是人們對(duì)外星人的昵稱(chēng)。這個(gè)猜測(cè)之所以被推翻，是因?yàn)樗麄冇职l(fā)現(xiàn)了另外3個(gè)也發(fā)射這種脈沖信號(hào)的射電源，很顯然，不會(huì)有這么湊巧，4個(gè)地方的“小綠人”都在以同樣的頻段同時(shí)給地球發(fā)信號(hào)。

但“小綠人”的假說(shuō)不合理嗎？也不是。隨著人類(lèi)對(duì)宇宙理解的日益加深，人們?cè)絹?lái)越覺(jué)得，恰恰是那種認(rèn)為宇宙中除了人類(lèi)之外不會(huì)有其他智慧生命存在的想法才是不合情理的。這一方面是因?yàn)槿藗冋J(rèn)識(shí)到，宇宙是如此地遼闊，沒(méi)有理由認(rèn)為只有太陽(yáng)系才能孕育像地球這樣的生命星球，而其他地方就一定不能；另一方面，人們又發(fā)現(xiàn)，生命在宇宙中是很普遍的存在，它們的適應(yīng)能力很強(qiáng)，能在很多連我們都想象不到的地方生長(zhǎng)繁衍。假若在我們的地球上，生命能夠從低級(jí)進(jìn)化到高級(jí)，進(jìn)而演化出智能生命，創(chuàng)造出地球文明，那么在其他星球上，同樣的事情為什么就一定不能發(fā)生呢？

這就是為什么許多科學(xué)家堅(jiān)信存在“外星人”并且堅(jiān)持不懈地尋找它們的緣故，他們還認(rèn)為，在遼闊的宇宙中尋找智慧生命，最理想的辦法就是利用射電波，因?yàn)樯潆姴ㄒ怨馑賯鞑ィ矢撸俣瓤欤ㄙM(fèi)不大，切實(shí)可行。1960年，著名的“奧茲瑪計(jì)劃”正式啟動(dòng)，它翻開(kāi)了人類(lèi)利用射電望遠(yuǎn)鏡搜尋地外文明的嶄新篇章，也標(biāo)志著“探索地外文明”（SETI）活動(dòng)的開(kāi)始，那是人類(lèi)第一次有目的、有組織地實(shí)施尋找“外星人”的計(jì)劃。天文學(xué)家們使用位于美國(guó)西弗吉尼亞的綠岸射電望遠(yuǎn)鏡搜索來(lái)自宇宙空間的射電信號(hào)并企圖從這些信號(hào)中發(fā)現(xiàn)有獨(dú)特生物學(xué)特征的信息。他們還用世界上最大的、直徑305米的阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡向銀河系的武仙座球狀星團(tuán)M13發(fā)送了一次專(zhuān)門(mén)針對(duì)外星人的射電波。那次發(fā)射的內(nèi)容是一連串?dāng)?shù)字，它們構(gòu)成了一幅由1和0組成的電碼圖，其含意包括氫、碳、氮、氧、磷等元素的原子序數(shù)，人類(lèi)的DNA構(gòu)造，人類(lèi)的外形和身高，地球在太陽(yáng)系中的位置等。M13包含幾十萬(wàn)顆恒星，距地球2.51萬(wàn)光年，所以這份“電報(bào)”大約要在宇宙中“旅行”2.5萬(wàn)年才能抵達(dá)目的地。假若“外星人”收到了這份“電報(bào)”并且回復(fù)，那么又需要2.5萬(wàn)年才能被我們收到。

我們至今尚無(wú)法證明任何來(lái)自宇宙的射電信號(hào)是由地外智慧生物發(fā)射的，難道我們?cè)谟钪嬷泄媸枪陋?dú)的？還是我們錯(cuò)過(guò)了什么？要解開(kāi)這個(gè)謎，人類(lèi)需要有更強(qiáng)大的射電望遠(yuǎn)鏡，在這方面，SKA有望有所作為。SKA擁有足夠的靈敏度，在辨別人為產(chǎn)生的無(wú)線電信號(hào)方面比此前的望遠(yuǎn)鏡更勝一籌，所以，也許SKA能告訴我們宇宙中是否真有“小綠人”，從而破解一個(gè)困擾人類(lèi)多年的未解之謎。

SKA的“中國(guó)元素”

中國(guó)的射電天文學(xué)在20世紀(jì)80年代后開(kāi)始有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，一些中型射電望遠(yuǎn)鏡在射電天文研究和國(guó)際合作中起著重要作用，例如上海佘山25米射電望遠(yuǎn)鏡和烏魯木齊南山25米射電望遠(yuǎn)鏡都是與國(guó)際射電望遠(yuǎn)鏡聯(lián)網(wǎng)的一流設(shè)備。2003年，我國(guó)科學(xué)家開(kāi)始籌劃“宇宙第一縷曙光”探測(cè)項(xiàng)目，這個(gè)項(xiàng)目的目的是收集宇宙“黑暗時(shí)期”氫元素的特殊輻射信號(hào)，捕捉宇宙中第一批恒星發(fā)出的光。這個(gè)項(xiàng)目又被稱(chēng)為21CMA，2005年開(kāi)始投入觀測(cè)，它目前是世界上最早開(kāi)展同類(lèi)課題研究的唯一大型射電望遠(yuǎn)鏡陣列。

中國(guó)還正在致力于建設(shè)一架500米口徑的球面射電望遠(yuǎn)鏡，簡(jiǎn)稱(chēng)FAST，其口徑將超越美國(guó)的阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡。FAST的500米口徑反射面由大約1800個(gè)六邊形球面單元拼合而成，它像一個(gè)巨碗，躺臥在貴州一片喀斯特洼地中。FAST預(yù)計(jì)2014年建成，建成后，它將作為世界最大的單口徑望遠(yuǎn)鏡沖擊射電天文學(xué)最前沿領(lǐng)域的重大課題。

SKA是一個(gè)國(guó)際合作項(xiàng)目，其參與國(guó)已達(dá)20個(gè)，而中國(guó)一開(kāi)始就是這個(gè)項(xiàng)目的倡導(dǎo)者和參與者，今后，中國(guó)科學(xué)家還將在這個(gè)項(xiàng)目中繼續(xù)發(fā)揮作用。按照計(jì)劃，SKA第一期300個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡將于2019年投入使用，預(yù)計(jì)2024年前后整個(gè)項(xiàng)目全部完工，2030年底全面投入使用。

追求真理是人類(lèi)最可貴的品格，宏偉的“平方千米（射電望遠(yuǎn)鏡）陣列”正是新千年人類(lèi)求知欲和探索精神的象征。它的最大價(jià)值就在于，盡管我們的人生短暫，在世至多不過(guò)百年，但我們卻能知道130多億年前發(fā)生的事，讓我們思考自然的真相、萬(wàn)物的道理、宇宙的本源，讓我們了解一切究竟是如何開(kāi)始的，而這，也正是我們需要SKA的理由。