中国首个深度参与的国际大科学工程取得阶段性成果——走进“世界巨眼”南非台址

来源：人民日报

繁星秘语，旷野聆听。在南非卡鲁荒漠深处，数十台射电望远镜呈旋臂状铺陈，巡天望远，探索着宇宙的奥秘——这是中国首个深度参与的国际大科学工程“平方公里阵列射电望远镜”（SKA）。SKA是由全球多国出资共同建造和运行的世界最大规模综合孔径射电望远镜，被誉为“世界巨眼”。日前，记者深入该项目南非台址，采访多位科学家及工程人员，了解其最新建设进展及科学发现。

寂静之地，竖起撑天巨伞

碟形天线通过阵列布局实现更强信号接收与连接

在南非当地语言里，“卡鲁”意为“寂静之地”。这片荒漠与半荒漠地带面积约40万平方公里，零星散落的村镇动辄相隔上百公里。大自然塑造了这里的荒凉和孤寂，也为天文观测创造了绝佳条件。

SKA采用双台址方案，低频阵列位于澳大利亚西部，中频阵列以南非为核心并扩展至非洲南部8个国家。“目前南非与澳大利亚是少数受光污染较小的天文观测地，这也是SKA选址于此的重要原因。”国际天文学联合会主席威利·本茨表示，“在地球表面进行深空探测面临多重挑战，光、声、电磁信号以及建筑物等都会影响观测，我们需要尽可能地屏蔽一切物理干扰。”

据介绍，南非台址将由分布在3000公里范围内的数千台15米口径的碟形反射面天线组成，它们相互间利用射电干涉原理连接。截至目前，SKA项目南非与澳大利亚两处台址首期建设均已完成阶段性目标。其中，南非台址已建成64台天线（即先导项目MeerKAT射电望远镜），另有15台由中方设计承建的天线正在现场装配中。

进入SKA南非台址有特殊规定，所有人员从近百公里外的卡那封小镇启程时就需处于“无线电静默”，一切手机信号、无线网络、蓝牙、热点均须关闭。记者随采访车队向SKA项目现场进发，沿途是看不尽的荒原景象。当高耸的碟形天线远远出现在视野中时，大家不由惊呼“终于有了发现”。车行愈近，天线越多，它们像一把把洁白的撑天巨伞，静静矗立于荒原之上。

“从上空看，它们是一个从中心向外逆时针旋臂展开的阵列，越往中心天线越密集，越向外天线的间隔距离越大。”SKA中频望远镜总监林赛·马格努斯向记者介绍，“这种阵列布局是为了更好地覆盖信号，在不同频率和方向上有更好的接收及连接效果。”

走进碟形天线阵列，每台天线支架高约11米，支撑起15米翼展的主反射面，这些“大盘子”时而以设定的节奏统一转向、俯仰，发出“吱……吱……”的机械运转声，时而又“分散行动”，几台朝向特定方位转动，另外一些则竖直接收面不再动弹，仿佛进入休息状态。

SKA南非项目总机械师奥科尔特带记者来到一台编号“001”的碟形天线下，打开支架舱门，里面密布着各种控制线路。“天线可以手动操控，也可以通过后台程序进行自动巡天跟踪。”奥科尔特一边手动控制天线接收面转向，一边解释说：“SKA的最大优势是信号接收面在更大范围内可控，首期项目我们将安装197台碟形天线，后期还会安装数千台天线，形成更大阵列。”

项目现场除了林立的射电天线，在一片丘陵的背后还有一个建筑群，主要由数据中心和配套设施组成，是SKA的“神经中枢”。马格努斯说：“SKA产生的数据是海量的，平均每秒就有约8TB的数据产出，然后通过专用宽带输送至超级计算机进行处理。最终，这些数据将被分享给多国科学家，这是一个全球项目。”

多国携手，探究宇宙奥秘

SKA展现广域巡天、高灵敏度、高解像度等特征

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。1993年，包括中国在内的10国共同发起建造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，正式成为全球性科学合作联合体。

SKA天文台总干事菲利普·戴蒙德表示：“这是一个跨越五大洲和南北半球的独特组织，我们不仅需要观测地的基础设施和数据传输，更需要全球各大算力中心的数据处理与分析。我们已建立起各国共建共享这个新一代科学平台的机制。”

射电望远镜是接收和观测无线电波的望远镜，相较光学望远镜，它具有穿透力更强、分辨率更高、数据收集更稳定等特点，是当前宇宙观测的主要设备之一。我们熟知的“中国天眼”——500米口径球面射电望远镜（FAST）代表着目前单口径射电望远镜技术的最高水平，其灵敏度可探测100亿光年外的信号。SKA则属于综合孔径射电望远镜，通过多面天线组合形成等效大孔径观测，相当于把地球变成一个“星球级镜头”来观测星空。平方公里级的等效接收面积，意味着超高的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。

“SKA作为新一代射电望远镜技术的代表，具有广域巡天、高灵敏度、高解像度、观测速度更快等特征。”南非斯坦陵布什大学天体物理学部主任马寅哲对记者表示，“SKA是一个不断发展中的项目，一些先期成果证明，它已将人类的视野向前大大推进。”目前MeerKAT已取得一系列观测成果：2022年，首次合成出银河系中心照片，清晰展现球状超新星爆炸图景；今年2月，发现了一个大小相当于银河系32倍多的巨型星系，有助于进一步了解宇宙中大型星系的起源和演变；今年10月，在距离地球超过40亿光年的11个星系中探测到中性氢信号，通过这种信号，科学家能够“听见”数十亿光年外星系中气体的运动、聚集与恒星形成过程。

“千百年来，人类用各种方法探索宇宙，形成一张张宇宙图景的拼图。我们的任务之一是将这些拼图进行整合，进一步看清宇宙演化过程。”SKA首席科学家迈克拉瑞·格里菲斯介绍，“宇宙物质的连接形态，磁力、重力的影响，脉冲星的运动规律以及新的天文研究方法都是SKA项目预期实现的目标。”

中国力量，助力建设研究

SKA与FAST优势互补向多领域合作拓展

在SKA项目展厅，一张通过国旗标识来展现各国参与碟形天线建设的背景墙引人注目，其中中国国旗的出现频次最高。SKA中频望远镜装配、集成与验证部门负责人奥斯卡·莫约表示，中国是该项目的重要贡献者之一。中国提供了SKA中频天线结构，包括主反射面和副反射面，并与验证团队合作，确保天线结构能够达到设定的目标。未来，中国还将提供64台天线作为实物贡献。中国也是SKA区域科学中心的关键参与者。

中国电科网络通信研究院是SKA在建中频天线结构任务的一级承包方，负责设计、制造、运输、集成和调试等任务。马格努斯对来自中方的中频天线给予充分肯定。他说，碟形天线的主反射面由66块边长3米的独立面板组成，每块面板都经过亚毫米级精度的调整，以确保反射面的光滑，而且每块面板都依据其所处位置而具有特定的曲率。高精度对于收集来自太空的无线电波、确保实现观测目标至关重要。

今年5月，清华大学联合意大利、澳大利亚、德国等多国天文学家，利用FAST和MeerKAT对银河系球状星团进行了高精度观测，绘制出更清晰的银河系磁场图谱，为理解星团演化和银河系磁场提供了新的视角。这是两台全球顶尖射电望远镜在球状星团研究领域的首次深度合作，未来双方还将合作追踪脉冲星突变、研究星际湍流，甚至探索地外文明。

马寅哲表示：“FAST位于北天区，SKA居于南天区，二者互补合作意义重大。FAST的单体半径巨大，观测的深度及精度都很高；SKA则在观察范围和效率上更具优势，但也面临数据处理的挑战，所以全球合作成为必然。”

“我们能听到什么，取决于这里有多安静。”这是SKA南非台址对来访者“无线电静默”的提示标语。在这之下，一则古老的对话引人遐思：一位欧洲探险者曾来访此地，他对满天繁星痴迷而不解，当地部族长老劝他静心聆听，这茫茫夜空之中，星星不是一直在歌唱吗？我们相信，随着人类探测设备的不断进步，未来将“听到”“看到”更多宇宙的奥秘。