共筑“世界巨眼” | 平方公里阵（SKA）射电望远镜

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一年后，我们将见证人类历史上一项超级大科学工程的开工建设，平方公里阵（Square Kilometre Array, 简称SKA）将成为我们这颗星球上迄今为止规模最大的一套科学设施。SKA将与韦布空间望远镜、下一代巨型光学望远镜、欧洲核子中心的强子对撞机LHC、引力波天文台LIGO及国际热核聚变实验ITER等一起，成为人类21世纪进行物理学重大发现的神器。

SKA碟型天线阵列，将建于南非台址。来源／ SKAO

SKA低频孔径阵列，将建于澳大利亚台址。来源／SKAO

SKA是我国参加的首个从项目酝酿、发起、国际组织创建、基本规则制定，一直到项目管理和建设，均全程参与并扮演重要角色的国际大科学工程，也是我国目前参加的继ITER（即俗称的“人造太阳”计划）之后的第二大国际大科学工程。

/ 造物主赐予了人类仰望星空的宝贵窗口

地球环境在宇宙中是极为特殊的存在。地球大气维持了包括人类在内的地球生命的基本生存。同时，大气层撑开一道强大的保护伞，呵护地球生命免受高能电磁辐射的伤害。没有这道屏障，来自外太空的伽马射线、X射线、及紫外线将毫不留情地打断生物DNA链条从而毁灭生命。

地球大气一方面对来自宇宙的电磁辐射产生强烈的吸收，另一方面却又神奇地“网开一面”，留出了三个大气电磁窗口：可见光窗口、红外窗口、及射电（或无线电）窗口。就是靠着这窄窄的一道可见光窗口，才有了光合作用，并造就了生机勃勃的地球生命及由此衍生出的五彩斑斓的广阔世界。而无线电窗口则赋予了人类基本的通讯手段，从地球一直延伸到遥远的外太空。对天文学家来说，这宝贵的三个大气电磁窗口则使人类能够建造各种望远镜去探索星空、理解宇宙。

地球大气层对电磁波的不透明度，及相应的可见光、红外、与射电窗口。图中从左到右电磁波波长逐渐增大、频率从高频到低频，即光子能量从高到低。来源／美国航天局（ NASA ）

/ “世界巨眼”SKA

SKA是一项雄心勃勃的天文学计划，将由全球多国合资建造世界最大的综合孔径射电望远镜，以实现平方公里量级的史无前例的超大接收面积（故得其名“平方公里阵”）。SKA将分别建于南非（含南部非洲8个国家）、及澳大利亚西澳州的无线电宁静区域，最大分布在3000公里的范围，频率覆盖50MHz-20GHz（未来可能升级到20GHz以上）。

SKA将分阶段进行建设。目前SKA处于建设准备阶段（2012-2020）的后期。SKA第一阶段（SKA1）将建设约10%的SKA，于2021年内开工建设（2028年建成）。第二阶段（SKA2）建设其余部分的SKA。项目全部建成预计2030年以后。

SKA由三套独立的设备组合而成，它们是分别工作在不同频段的三类天线阵列：

（1）碟型天线阵。约2500面15m口径反射面天线构成综合孔径阵列（DishArray），覆盖频率350MHz-20GHz，每个天线将配备5个单波束馈源SPF（Single PixelFeeds）。将建于南非台址，未来扩展至南部非洲的8个国家。

（2）低频孔径阵。在50-350MHz频率范围，130万个对数周期天线单元组成约5000个直径约35m的稀疏低频孔径阵列LFAA（Low-FrequencyAperture Array），每个子阵由256个天线组成。将建于澳大利亚西澳州的台址。

（3）中频孔径阵。在350MHz-1.45GHz频率范围，由250个直径约60m子阵组成致密中频孔径阵列MFAA（Mid-Frequency Aperture Array），形成超大视场的观测能力。台址位于南非。鉴于成本等因素，中频孔径阵在SKA1阶段暂不建设。

SKA中频孔径阵列，拟建于南非台址。SKA1 阶段不建。来源／国际 SKA 组织

基于上述性能指标，SKA将同时具备如下几大领先技术，并有望统治国际射电天文未来几十年的发展：超大接收面积。SKA接收面积达平方公里级，比目前最灵敏的射电望远镜阵JVLA（Jansky Very Large Array）和LOFAR高50倍。将极大提升望远镜探测能力；超大视场。SKA具有极大的观测视场，能对1,000,000个星系和瞬变现象成像，其快速搜寻能力将达到JVLA的10,000倍以上。超宽频率范围。SKA低频孔径阵覆盖了频段50MHz-350MHz，碟型反射面天线阵频段为350MHz-20GHz（未来可能升级到20GHz以上），具备在多频段同时进行观测和成像的能力；超高分辨率。百公里低频基线和千公里高频基线阵列分布，使SKA具有对致密天体的精细结构进行成像的能力，拥有毫角秒级的分辨本领。

另外特别值得一提的是，作为一套全新概念的望远镜，SKA也将成为世界上最大的一套IT系统。SKA集超大视场、超高灵敏度、超高分辨率、超宽频率范围这些卓越性能于一身，则意味着难以想象的超大信息量和数据量。当SKA睁开巨眼看宇宙时，被它“一网打尽”的宇宙信息量如此之大，以致其每秒产生的数据量，比当今全球英特网的数据流量总和还要高。

SKA1与目前世界上其它射电望远镜在接收面积上的比较。来源／SKAO

SKA1及SKA2与世界上其它望远镜在探测灵敏度上的比较。注：图中15GHz以上的高频部分用渐变的白色显示未来SKA的可能升级，下同。来源／SKAO

SKA1及SKA2与世界上其它望远镜在巡天速度上的比较。来源／SKAO

SKA1与世界上工作在不同波段的射电及大型地面和空间光学望远镜在空间分辨本领上的比较。可见SKA1在高频端已超越哈勃空间望远镜的分辨本领。来源／SKAO

在1.4GHz的基准频率，SKA1及SKA2与世界上其他它电望远镜在空间分辨率上的比较。来源／SKAO

/ 多国携手，共筑“世界巨眼”

在当今世界的“人类命运共同体”时代，一些致力于解决全人类共同面临的重大科学问题的超级大科学工程，单靠一国之力，已难以支撑，亟需各国携手、分工协作。

SKA的成员国，目前已遍布五大洲，覆盖全球近一半的人口。来源／国际 SKA 组织

SKA将由全球多国合资建造。目前已正式参加SKA计划的有澳大利亚、加拿大、中国、法国、德国、印度、意大利、荷兰、新西兰、南非、西班牙、瑞典、英国、葡萄牙、瑞士，共15国，还有一些观察员国可能在今后加入，如日、韩等国。加入SKA计划的国家遍布五大洲，覆盖全球近一半的人口。

中国是国际SKA组织的创始成员国，成员席位由中国科技部代表，负责组织和协调我国SKA各项工作，并由科技部下设的中国SKA办公室负责具体实施。国际SKA组织于2012年投票确定SKA采用双台址方案，即澳大利亚、南非（含南部非洲8国）共同成为SKA台址，2015年4月确定英国为SKA永久总部国，SKA全球总部位于英国曼彻斯特大学所属的Jodrell Bank天文台。

2019年3月12日，来自15个国家的部长、大使及高级代表齐聚意大利罗马。中国（由科技部张建国副部长代表）与澳大利亚、意大利、荷兰、葡萄牙、南非、英国共七国政府首批签署了SKA天文台公约。公约的签署，标志者SKA组织正式开启向政府间国际组织（Inter-Governmental Organisation, IGO）过渡的进程。

国际SKA组织成立于2011年，初始为一家注册在英国的非营利性公司，但为了SKA的长远利益，必须过渡为IGO。IGO的优越性在于，各成员国参与SKA是国家行为，不受政府更迭等因素影响（政府更迭在一些国家频繁发生）。因此，SKA公约经各国政府签署后，还须报请各国议会（我国是全国人大）批准方能生效。IGO将确保SKA天文台至少50年的安全稳定运行。另外，IGO将保障SKA在工程采购、雇员工资等方面享受国际组织的免税待遇。这将极大节省各成员国的出资负担。SKA组织将成为继欧洲南方天文台之后，世界上第二个以天文学研究为目标的政府间国际组织，包括中国在内的7个首批签约国将成为SKA政府间国际组织的创始成员国。

SKA天文台公约于2019年3月12日在罗马正式签署，包括中国在内的7国政府正式签署公约，SKA组织正式开启向政府间国际组织过渡的进程。来源／中国SKA办公室

/ 中国在国际SKA计划中的重要角色

追溯到国际SKA计划的第一天，在长达四分之一世纪的SKA全部历程中，我国自始至终都是SKA计划的重要参与者和积极推动力量。

上世纪九十年代初，包括中国在内的十个国家共同发起了建造SKA的倡议（当时称为LT，即LargeTelescope。SKA的名字是后来才有的）——在地球射电天文环境被毁灭之前，全球合作建造大型射电望远镜，探测遥远宇宙。

随后，我国提出了“中国SKA概念”——KARST，即利用我国贵州喀斯特地貌环境，建造30多面口径200米的巨型反射面天线组成综合孔径阵列，以实现平方公里的等效接收面积。同时，以我国贵州天然形成的喀斯特洼地为候选台址，在国际上去竞争SKA台址。国家天文台南仁东、彭勃、邱育海等一批射电专家，一直在努力推动我国的SKA计划。

中国SKA概念。中国曾提出利用贵州喀斯特地貌，由30多个200米口径的巨型反射面天线组成干涉阵列，实现平方公里等效接收面积。来源／彭勃

2011年11月，中国与多国在罗马共同创建了国际 SKA 组织。来源／郝晋新

2011年11月，中国与澳大利亚、南非、英国、法国、荷兰、意大利等国在罗马共同创建了国际SKA组织，开启了SKA的建设准备阶段。当时中国科学院国家天文台代表我国参加SKA。一年后，科技部正式代表我国参加SKA组织并负责中国的SKA计划。

/ “中国天眼巨匠”也曾是中国SKA计划的主要推动者

在中国，谈SKA，不能不提“中国天眼”FAST；同样，提到FAST，也无法回避SKA。因为我国FAST与SKA有太深的渊源！

为争取SKA能够落户中国，中国LT推进委员会于1995年成立，南仁东任首席科学家、彭勃任主任。当时国际上共有中国、澳大利亚、南非、阿根廷四个候选国竞争SKA台址。2006年7月，经过为期三天激烈的竞争，国际SKA推进委员会对四国进行了详细评估，排序依次为：澳大利亚、南非、中国、阿根廷。2006年9月，委员会最终决定取前两名澳大利亚和南非进入短名单（shortlist），中国竞争SKA台址的努力报憾未能成功。

但中国团队并未放弃努力。“国际上不来中国建SKA，那我们就自己建一个世界上最大的单天线”，南仁东曾如此表示。2007年9月，国家发改委批复FAST工程正式立项。2016年9月，FAST按期竣工。

/ 中国是SKA项目的重要建设者

如前所述，SKA的建设费用，将以各成员国的实物贡献为主。为此，我国积极布局SKA的建设准备工作。在SKA1建设的共计11个国际工作包联盟中，中国参加了其中的6个。其中在天线工作包、时间同步工作包、及低频阵工作包联盟中都具备一定竞争优势，并有望赢得相应的工作包。

经过激烈竞争，在SKA1各工作包联盟中造价排第一的天线工作包联盟中，中国方案成为唯一候选方案。中国目前已成为天线工作包联盟的主席。这是我国首次在国际大科学工程中领衔工作包联盟。

中国制造的首台15米天线样机于2018年2月在中国电科54所建成，这是SKA建设准备阶段的重要里程碑，成为国际关注的焦点。第二面天线已运抵南非SKA台址并进行安装。

SKA首台原型天线建成庆典在石家庄举行。来源／中国电科54所

科技部王志刚部长一行于2018年7月访问南非SKA台址。来源／中国电科54所

由中国主导建造的SKA第二面原型天线于2019年4月24日在南非SKA 台址进行安装的场景。来源／南非射电天文台

/ 我国的SKA科学准备

参加SKA，无疑为我国射电天文取得国际领先的重要科学发现提供了难得的历史机遇。为最大限度地取得未来SKA的科学回报，我国射电天文界实施的一系列战略性举措包括：

1. 凝聚国内射电天文力量，根据我国射电天文实际情况，尤其是结合我国现有的射电装置（如FAST、及我国SKA低频探路者21CMA等），形成中国SKA科学的“2+1”战略，即集中力量，以中性氢和脉冲星作为最优先的两个突破方向，同时关注其它研究方向。

2. 整合国内现有射电力量，在中国SKA首席科学家武向平牵头下，逐步形成11个SKA科学团队：

（1）宇宙黎明和再电离探测

（2）中性氢巡天和宇宙学研究

（3）脉冲星搜寻

（4）脉冲星计时和引力检验

（5）宇宙磁场探索

（6）星际介质物理

（7）暂现源探测

（8）AGN和黑洞

（9）中性氢星系动力学和星系演化

（10）生命摇篮

（11）超高能宇宙线和中微子探测

3. 以上述11个团队为核心，完成了《中国SKA科学白皮书》

4. 积极布局中国SKA区域中心建设，并努力在未来发展成辐射亚太地区的SKA数据中心及科学研究中心。

建于新疆天山脉中的我国SKA低频探路者21CMA，为我国在宇宙再电离探测上积累了宝贵经验，尤其是最重要的数据处理能力。来源／武向平

/ 让“中国天眼”拥抱“世界巨眼”

FAST作为世界上最大口径的单天线望远镜，挑战了人类建筑的极限，也挑战了力学的极限，在可预见的未来，世界上将很难再建造比FAST更大的类似望远镜。因此，FAST是巨型单天线射电望远镜的“终结者”。SKA则开启了一个新的时代——巨型综合孔径射电望远镜阵列的新时代。

FAST本是我国在发展SKA过程中的产物，所以从某种意义上说，FAST与SKA是“同根生”。同为世界上灵敏度鹤立鸡群的射电望远镜，FAST与SKA两者科学目标高度一致，并可形成优势互补。FAST由于是单天线，故相对简单，尤其是数据处理相对于SKA要简单得多。而SKA则有者巨大的视场和超高的空间分辨本领。

另外，从时间表上，SKA1将于2028年建成，而FAST已于2016年竣工。FAST早于SKA1十年以上建成，这是留给中国射电天文学家的一个重要的科学发现窗口。FAST由巨大接收面积而带来的超高灵敏度（灵敏度甚至略高于SKA1-Mid），可使中国天文学家发现大量新的天体（如脉冲星）或极微弱信号，而SKA则可在随后的时间进行更精密的后续观测与认证。对中国射电天文来说，SKA与FAST形成了完美的“承上启下”的关系。

FAST的超高灵敏度，在今后至少十几年的时间里，在国际上仍将傲视群雄。但囿于FAST单口径的限制，SKA在其他一些性能指标，尤其是空间分辨率上，则具备明显优势。

/ 配副“SKA眼镜”，“中国天眼”将锐利百倍

FAST虽然具有无与伦比的超高灵敏度，但由于单天线的限制，其空间分辨率和SKA1相比是500倍的差距。如何借力SKA的技术路线，最大限度地挖掘和发挥FAST自身的强大优势？

国家天文台FAST团队正在推动“FAST A+”建议，即在FAST周边几十公里的范围内，给FAST配上一套SKA的“复眼”。这套复眼由大量小天线组成一个迷你SKA阵。在这套迷你SKA阵的加持下，FAST的一些关键性能将成百倍地提升，例如空间分辨率将由3角分大幅提升至1角秒，而其总花费仅仅为FAST建设费用的百分之几。

FAST的扩展方案“ FAST A+ ”，有望使 FAST的空间分辨率提升百倍。来源／FAST 团队李菂

/ 致我们终将迎来的用“世界巨眼”观宇宙的下一代天文学家

SKA第一阶段完全建成并投入使用将是距今约十年以后了，因此，SKA是属于年轻一代天文学家的。特别是，SKA对中国天文学家来说是一套全新的设备。这套“新概念”望远镜颠覆了以往的许多概念，亟需大量年轻人才，亟需引入大量新的知识体系。十年种树，百年树人。中国的SKA战略，人才战略必须先行。

鉴于此，中国SKA团队早在2014年，便率先启动了与SKA台址国澳大利亚的“中澳SKA联合博士生计划”，选派优秀中国博士生赴澳大利亚，围绕其SKA先导项目开展课题研究。与SKA总部国英国合作的“中英SKA联合博士生计划”也随后启动。在国家留学基金委、中国SKA团队、澳大利亚天文联合体、及英国STFC的共同支持下，目前已有约30名中国博士生获得了留学深造的机会，他们中的一些人已完成学业并取得优异成绩。

另外，在科技部及中国驻南非使馆的协调下，国家天文台与南非射电天文台签署合作协议，与SKA台址国南非合作的“中国南非SKA联合博士生、博士后及访问学者计划”也有望启动。

作为政府间国际组织的大科学项目，SKA得到了各成员国政府的大力支持。中国SKA在科技部牵头下，获得了国家的强力支持。我们有理由相信，未来用“世界巨眼”观宇宙的年轻一代中国天文学家，将有更多的进行重要科学发现的机遇，以及更广阔的施展个人才华的空间。