作者|周己皓
审核|黄坚
编辑|杜飞
星明科普 ·
射电天文学是一门通过探测来自宇宙深处的射电辐射来研究天体物理现象的学科，射电波段的波长范围非常宽阔，从地面可以接收到的射电波长从几毫米一直到数十米，它们能够穿透星际物质和地球大气，携带了非常丰富的天文信息。但是，传统的射电望远镜受限于设备规模和灵敏度，难以捕捉到微弱的宇宙信号。而目前正在建设中的平方公里射电望远镜阵（Square Kilometer Array，SKA），就像是一把放大镜，通过大规模的射电望远镜阵列和先进的综合孔径技术实现前所未有的观测能力。
2024年3月安装的第一批SKA-Low天线（图片来源于SKAO）
SKA的建设分两个阶段。第一阶段先前经常被称为SKA1，而现在通常称为SKA，包括低频孔径阵列（SKA-Low）和中频孔径阵列（SKA-Mid）两个部分，这一阶段已于2022年12月开工建设，预计2028年建成。SKA-Low位于澳大利亚，包含131072个小型天线单元，每个天线高度约2米，形似圣诞树，2024年3月已安装了第一批天线，SKA-Low主要接收低频射电波（50MHz至350MHz），用于研究宇宙大爆炸后的早期阶段，特别是宇宙再电离时期。SKA-Mid将在南非建设，包含197个直径约15米的抛物面天线，负责接收中频射电波（350MHz至15.4GHz），提供高分辨率成像，用于研究星系、脉冲星和黑洞等天体。SKA的扩展阶段先前被称为SKA2，这一阶段是对未来进一步建设的设想，虽然具体的建设内容和时间节点仍有待讨论，但预期将会在全球范围内增加更多的天线阵列，进一步提升望远镜的灵敏度和分辨率。
SKA-Mid艺术想象图（图片来源于SKAO）
SKA建成以后将承担许多科学研究的任务，比如微波背景辐射、星系演化与大尺度结构以及快速射电暴等前沿课题。
宇宙微波背景辐射（CMB）是大爆炸后约38万年时宇宙从高温等离子体冷却到能够形成中性氢的温度时所留下的余辉。然而，CMB的观测往往受到前景射电源（如星系和类星体等天体的射电辐射）的干扰。SKA的高灵敏度和广泛的频率覆盖可以帮助精确测量这些前景信号，尤其是银河系的同步辐射和类星体的射电辐射。由此，科学家可以更有效地去除CMB数据中的前景干扰，从而提高CMB观测的精度，进一步揭示早期宇宙的物理状态和演化过程。同时，SKA的观测能力将使其能够探测到高红移星系，这些星系在宇宙再电离时期可能是光子的主要贡献者。通过了解这些星系的性质和演化，科学家能够更好地理解再电离时期的过程，并改进CMB模型。
宇宙微波背景辐射图（图片来源于ESA）
SKA通过对星系和星系团的精确测量，能够提供宇宙大尺度结构的详细图像。这些观测结果可以与CMB数据结合，帮助精确测定宇宙的基本参数，如哈勃常数、物质密度参数和暗能量参数。除此之外，该系统还可以通过观测引力透镜效应，帮助测量宇宙中暗物质的分布，将其数据与CMB的透镜效应观测结果相结合，提供更全面的宇宙物质分布图景。
快速射电暴到达地球的艺术想象图 （图片来源于北京天文馆，绘制：喻京川）
SKA还可以对一些突发事件进行及时的观测。快速射电暴（Fast Radio Bursts，FRBs）是一种短暂但极其强烈的射电爆发，持续时间仅为几毫秒。正是由于其突发性和短暂性，FRBs的观测和研究充满挑战。SKA的高灵敏度和快速响应能力使其成为研究FRBs的理想工具。通过实时监测大面积天区，SKA有望捕捉到更多的FRBs事件，并提供精确的定位信息，进一步揭示FRBs的来源，这使得天文学家可以深入研究这些事件物理机制，如中子星并合、黑洞吸积或星系中心的剧烈活动。
截止2023年7月，参与SKA建设的国家分布 （图片来源于SKAO）
2019年3月，为了协调建设及运营，7个创始成员国（澳大利亚、中国、意大利、荷兰、葡萄牙、南非和英国）在意大利罗马成立了平方公里射电望远镜阵天文台（SKAO），总部位于英国卓瑞尔河岸天文台（Jodrell Bank Observatory）。目前SKAO的成员国和观察国已增加到16个，此外还有8个非洲国家参与了协调，后续将会有更多国家参与进来。
作为全球最大的射电望远镜阵列，SKA仿佛在地球上织就了一张捕捉宇宙奥秘的巨网。随着SKA逐步建成并投入使用，人类将在多个领域取得突破性进展，同时极大地推动天文学的发展，帮助人类进一步揭示宇宙的奥秘。
参考文献
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[8] The Square Kilometre Array，Australia Telescope National Facility，https://www.atnf.csiro.au/projects/SKA/index.html
[9] The SKA telescopes，SKAO，https://www.skao.int/en/explore/telescopes
[10] SKA Observatory celebrates start of telescope construction in Australia and South Africa，SKAO，https://www.skao.int/en/news/441/ska-observatory-celebrates-start-telescope-construction-australia-and-south-africa
[11] Jonathan Amos，SKA: Construction to begin on world’s biggest telescope，BBC，https://www.bbc.com/news/science-environment-63836496
[12] SKA telescope specifications，SKAO，https://www.skao.int/en/science-users/118/ska-telescope-specifications
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