SKA射电望远镜是什么，它能给人类探索宇宙提供什么“便捷”？
SKA是 ， 短波射电望远镜阵列 。 它不是一个单一的大口径望远镜 ， 而是由数千个更小的探测设备组成的一个巨大的信号采集面 。 这些天线将分布在多个区域 ， 并将其检测结果进行汇总 ， 得到观测图像 。 由于其高分辨率和大视场 ， SKA涵盖了天文学的所有主要课题 ， 包括恒星和星系的演化、类星体、脉冲星、超新星爆炸、外星生命、暗物质和暗能量 。
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毫无疑问 ， SKA将成为地球上另一个科学奇迹 。 人们关心的是 ， 这个巨大的“天眼”将放在哪里？在最新消息中 ， SKA宣布项目的大部分 ， 即三分之二的天线将在南非建造 ， 而一些将在澳大利亚和新西兰建造 。 建成后 ， SKA将成为世界上最大的射电望远镜 。
开启射电窗口
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自从人类用望远镜观察宇宙以来 ， 他们在可见光的指引下认识宇宙已有一段时间 。 无论是恒星、行星、星云、星团还是星系 ， 只要有可见光 ， 我们就会找到它们并认识它们 。 后来 ， 红外线、紫外线、X射线和伽马射线逐渐被用来观察宇宙 ， 包括无线电波 。 所以今天的天文学是全波段天文学 。 全波段天文学中一个重要的“窗口”是无线电波 ， 它被称为“射电窗口” 。 这扇窗户的开启是人类认识宇宙的一件大事 。 它创造了一种新的射电天文学 ， 为人类展示了一幅完全不同的宇宙图景 。 然而 ， 这不是天文学家 ， 而是美国贝尔实验室的电气工程师詹斯基 。
1931年 ， 詹斯基在研究雷暴天气如何干扰通信信号时 ， 发现了一个可能来自宇宙中遥远天体的干扰源 。 詹斯基的天线设备非常简单 ， 但它探测天体的无线电信号 ， 因此它成为世界上第一个用无线电波观测宇宙的天文设备——射电望远镜 。
天体是否有无线电辐射在当时是个问题 ， 因为没有人认为它们会发射出强大的无线电波 。 许多人对詹斯基的发现持怀疑态度 。 然而 ， 另一位美国无线电工程师雷伯坚信这一发现是真的 。 他还在后院安装了天线 。 用这个天线 ， 他证实了这个发现 。 这种天线的主体是直径约9米的金属抛物面 。 有点像模型 。 可以说 ， 这是第一台用于天文观测的射电望远镜 。 射电望远镜的成像过程比光学望远镜复杂 。 它对接收到的数据进行连续记录 ， 然后对数据进行处理 ， 得到观测天空区域的图像 。
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80多年后的今天 ， 射电望远镜发生了巨大的变化 。 为了不断提高射电望远镜的分辨率 ， 除了增大射电望远镜的孔径外 ， 还发明了许多关键技术 ， 包括射电干涉仪、甚长基线干涉仪和“合成孔径”系统 。 利用这些技术 ， 人们可以通过建立射电望远镜阵列来提高分辨率 ， 并将来自多个地方的射电望远镜连接起来 ， 形成一个巨大的虚拟望远镜 。 这种组合使得射电望远镜具有不可思议的观测能力 。
1993年 ， 包括中国在内的10个国家的天文学家共同提议建造一个由3000台射电望远镜组成的巨型射电望远镜阵列 。 其中一半位于中心区域直径5公里的范围内 ， 其余部分则从中心向外延伸 ， 像一个从“旋臂”向外延伸的螺旋星系 。 这是一个由射电望远镜组成的网络 ， 每一个望远镜都由一根光缆连接 ， 一台超级计算机将接收到的数据进行同步 ， 以显示天体的细节 。 因为它的接收面积是一平方公里 ， 所以被称为“平方公里阵列”（SquareKilometerArray） ， 简称（SKA） 。
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揭开类星体之谜
毫无疑问 ， SKA是人类雄心勃勃的科学项目 ， 象征着人类射电天文学的辉煌未来 ， 但我们能从中看到什么呢？为什么我们需要这么大的设备？它将如何改变我们对宇宙的理解？要回答这些问题 ， 我们首先要知道以前的射电天文学给我们展示了什么样的宇宙图景 。
随着射电望远镜的出现 ， 天文学家发现了越来越多的具有射电辐射的物体 ， 这些物体被称为射电源 。 有些放射源很奇怪 。 它们看起来像星星 ， 但它们不是星星 。 他们离我们很远 ， 而且离我们也很快 。 它们离我们很远 ， 我们可以探测到它们 ， 这表明它们有很高的能量 。 它们是什么？为什么它如此明亮和活跃？天文学家暂时找不到答案 ， 所以他们把这个奇怪的物体叫做类星体 。
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类星体是我们今天对类星体的一个更清晰的认识 。 大多数天文学家都认为类星体是活跃星系中不可思议的核心 。 所谓的活动星系是相对于正常星系而言的 。 我们的星系是一个正常的星系 。 这种星系非常常见 ， 占所有观测星系的98% 。 它们的活动变得平静 ， 而活跃星系则有大规模的剧烈活动 。 天文学家已经发现 ， 活跃星系的核其实很小 ， 但它们的光度太大 ， 甚至看不见 。
为什么活跃星系的核这么亮？目前的解释是 ， 活动星系中隐藏着一个高速旋转的“超大质量黑洞” 。 正是这个黑洞给了活跃星系一个非常高的亮度 。 由于黑洞的存在 ， 黑洞周围的气体和尘埃落在黑洞的中心 ， 导致活动星系中心的物质密度、高温和能量 。 当物质密度达到一定程度 ， 温度也上升到一定程度时 ， 这些致密的物质就会找到一个逃生出口 ， 于是两股高能喷射离子流从黑洞的两端喷射到太空中 。 通过这种方式 ， 类星体被黑洞点燃 ， 它们变得非常明亮 。 因此 ， 类星体只是被黑洞点燃的活跃星系 。
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类星体是射电天文学的一个重要发现 ， 它揭示了星系的发展 ， 因为类星体实际上是正常星系的雏形 ， 代表了星系生命中最动荡的“绿色”年 。 然而 ， 射电天文学所做的还不止这些 ， 因为它还发现了射电脉冲星 。
发现脉冲星
在发现脉冲星之前 ， 一些科学家曾预言存在一颗完全由中子组成的稠密恒星——中子星 。 根据计算 ， 中子星的密度惊人 ， 直径只有几十公里 ， 但质量比太阳大 。
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真的有这样一颗天体吗？人们没有答案 。 直到20世纪60年代末 ， 由于大型射电望远镜的出现 ， 人们终于发现了几个神秘的射电源 ， 它们都有奇怪的快脉冲辐射 ， 因此被称为脉冲星 。 其中最著名的是蟹状星云中的脉冲星 ， 它的周期为0.033秒 。
【SKA射电望远镜是什么，它能给人类探索宇宙提供什么“便捷”？】科学家们最终得出了这个预言 ， 那就是中子星 。 原来 ， 当一颗质量相当大的恒星爆炸时 ， 由于反作用力 ， 其中心部分被向内压缩 ， 由此形成的压力大到足以使电子失去电学性质而变成中子 ， 于是中子星诞生了 。 中子星越小 ， 其速度越快 ， 同时释放出大量能量 。 它的磁轴往往与自转轴有一定的夹角 ， 因此当以磁轴为中心的辐射锥扫过地球时 ， 地球上的射电望远镜可以接收到脉冲信号 。 蟹状星云中中子星的脉冲周期为0.033秒 ， 表明中子星以每秒30周的速度旋转 。
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研究表明蟹状星云中的中子星是超新星爆炸的产物 。 当时 ， 一颗恒星坍缩成超新星 ， 蟹状星云是超新星爆炸的残余 ， 中子星是恒星坍缩留下的核心 。 这样 ， 射电天文学中脉冲星的发现和研究证实了中子星预测的正确性 ， 也将恒星的演化过程展现在人们面前 。
探寻宇宙“黑暗时期”
类星体和脉冲星的发现是继60年代射电天文学迅速发展之后的一项重大成就 ， 另外两项重要成就是发现了宇宙大爆炸的微波背景辐射和星际分子 ， 特别是星际有机分子 ， 这为解释宇宙生命起源提供了一个新的视角 。
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现在 ， 让我们来看看我们观察宇宙的历史 ， 就像倒转的胶片 。 一开始 ， 我们看到了现在的宇宙 ， 有明亮的恒星、星团、星系和星云 ， 还有被它们照亮的行星和卫星 。 再往前看 ， 我们可以看到它们的演化：超新星爆炸、星系碰撞和合并 ， 它们为我们提供了各种波长的惊人壮观景象 。 我们也能看到伽马射线爆发像烟花一样照亮了遥远的宇宙 。 这是早期宇宙中恒星碰撞或爆炸的结果 。 至于100亿年后穿越宇宙的恒星 ， 它们更遥远 。 当然 ， 我们也看到了类星体、脉冲星和黑洞 。 到目前为止 ， 我们看到了一个充满光的宇宙 。 但再往前看 ， 当我们的视野扩展到130亿年前 ， 我们的宇宙突然倒退到一个“黑暗时期” 。 当时宇宙中没有发光物体 ， 唯一的“光源”就是逐渐冷却的宇宙微波背景辐射 。
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天文学家推测 ， 在宇宙的“暗期” ， 由于引力的不稳定性 ， 宇宙中会出现一些“暗晕” ， 即暗物质的团簇 。 暗晕吸收普通物质 ， 并开始形成恒星和星系 。 它们在星系的形成和发展中起着重要的作用 。 正是暗物质的引力引发了宇宙中第一代发光物体的诞生 ， 以及最早的恒星和星系 。
宇宙“暗期”的研究是现代天文学的一个重要课题 。 这也是人们对SKA寄予厚望的原因 ， 因为SKA的观测灵敏度是地球上任何射电望远镜阵列的50倍 ， 分辨率是后者的100倍 ， 扫描太空的速度比这个领域最好的望远镜快1万倍 。 天文学家认为SKA将是一台史无前例的“时间机器” ， 它可以把我们带到宇宙大爆炸后的早期宇宙 ， 使我们能够研究宇宙在暗期的状态 ， 包括暗物质、暗能量等现代物理学和现代天文学的重要课题 。
为黑洞“留影”
SKA还将用于研究黑洞 ， 这是现代物理学和天文学的另一个“热点” 。 黑洞的概念最早起源于爱因斯坦的广义相对论 。 在随后的几十年里 ， 进行了大量的观测和验证 。 拍摄出了距离地球5500万光年的M87*黑洞的照片 。
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然而现在几乎可以肯定 ， 银河系的中心也隐藏着一个神秘的超大质量黑洞 ， 它的质量是太阳的400万倍 ， 大概距离地球26000光年 。 科学家发现 ， 靠近银河系中心的恒星运动速度非常快 ， 这被认为是超大质量黑洞存在的有力证据 ， 因为这些恒星的“反常”行为是由黑洞的引力引起的 。
但是黑洞不发光 ， 那么望远镜是如何给它们拍照呢？由于黑洞周围的旋转和下落物质流 ， 它们以极高的温度和能量落入黑洞 ， 因此可以用射电望远镜探测到它们 。 有了这些能量数据 ， 科学家们就能够勾勒出黑洞的外部轮廓 ， 也就是黑洞的“积吸盘” 。 从而拍摄出黑洞的照片 ， 第一张黑洞的照片大概经过5个夜晚的观测 ， 产生了4PB的数据 ， 经过两年多的后续工作 ， 在2019年4月10日21点整召开的全球新闻发布会发布了黑洞照片 。
“小绿人” ， 你在哪里？
射电电脉冲星被发现时还有另一个插曲 。 起初 ， 面对神秘的无线电脉冲信号 ， 科学家们首先想到的不是中子星 ， 而是外星人的绰号“小绿人” 。 这个猜想被推翻的原因是他们发现了另外三个发射脉冲信号的无线电源 。 显然 ， 四个地方的“小绿人”在同一频段内同时向地球发送信号是不会发生的 。
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但是 ， “小绿人”的假设是不合理的吗？都不是 。 随着人类对宇宙认识的不断加深 ， 人们越来越觉得宇宙中除了人类之外 ， 没有其他的智慧生命 。 一方面 ， 人们意识到宇宙是如此浩瀚 ， 没有理由认为只有太阳系才能孕育出地球这样的生命行星 ， 而其他地方却不能；另一方面 ， 人们发现 ， 生命在宇宙中非常普遍 ， 它们具有很强的适应性 ， 可以在许多地方生长繁殖我们甚至无法想象 。 如果在我们的地球上 ， 生命可以从低级进化到高级 ， 然后进化出智慧生命 ， 创造地球文明 ， 为什么其他星球上就不能发生同样的事情呢？
这就是为什么许多科学家坚信“外星人”的存在并坚持不懈地寻找他们 。 他们还认为 ， 在浩瀚宇宙中寻找智慧生命的最佳途径就是利用无线电波 ， 因为无线电波以光速传播 ， 具有高效率、高速度、低成本和实际可行性 。 1960年 ， 著名的“奥兹玛计划”正式启动 。 它开启了人类利用射电望远镜寻找地外文明的新篇章 ， 也标志着“SETI”活动的开始 。 这是人类第一次有目的、有系统地实施寻找“外星人”的计划 。 天文学家们使用位于西弗吉尼亚州的格林班克射电望远镜来搜索来自太空的无线电信号 ， 并试图从这些信号中找到具有独特生物学特性的信息 。 他们还利用阿雷西博射电望远镜（直径305米）向银河系球状星团M13发射了一个专门针对外星人的电波 。 发布的内容是一系列数字 ， 它们构成了由1和0组成的代码图 。
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它的含义包括氢、碳、氮、氧、磷等元素的原子序数 ， 人类DNA的结构 ， 人类的形状和高度 ， 以及地球在太阳系中的位置 。 M13包含数十万颗恒星 ， 距离地球25100光年 ， 因此这条“电报”将在宇宙中传播约25000年才能到达目的地 。 如果“外星人”收到这封“电报”并回复 ， 我们还需要2.5万年才能收到 。
我们还不能证明宇宙中的任何无线电信号都是由地球外的智能生物发出的 。 我们在宇宙中真的孤独吗？或者我们错过了什么？为了解开这一谜团 ， 我们需要更强大的射电望远镜 ， 而SKA有望对此做些什么 。 SKA拥有足够的灵敏度 ， 能够比以往的望远镜更好地分辨人造的无线电信号 ， 所以也许SKA可以告诉我们宇宙中是否真的有“小绿人” ， 从而解开困扰人类多年的未解之谜 。
SKA的“中国元素”
SKA是一个有20个参与国的国际合作项目 。 我国是这一项目的发起者和参与者 。 今后 ， 中国科学家将继续在这个项目中发挥作用 。 根据计划 ， SKA300射电望远镜一期工程以于2019年投入使用 。 预计整个项目将于2025年左右建成 ， 2035年底前全部投入使用 。
追求真理是人类最宝贵的品质 。 壮丽的“平方公里（射电望远镜）阵列”是新千年人类求知欲和探索精神的象征 。 它最大的价值在于 ， 虽然我们的生命短暂 ， 但我们可以知道130多亿年前发生了什么 ， 这样我们就可以思考自然的真相 ， 万物的真相 ， 宇宙的起源 ， 这样我们就可以了解一切是如何开始的 。 这就是我们需要ska的原因 。
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