为什么我们需要SKA?

SKA是“平方千米（射电望远镜）阵列”的简称。它并不是一个单独的巨大口径的望远镜，而是数千个较小的探测装置组成的阵列，从而形成一个巨大的信号采集面。这些天线将分布在多个地区，它们的探测结果可以汇总起来获得观测图像。由于SKA的分辨率极高，视场巨大，所以它研究的内容涵盖了天文学的所有重大课题，包括恒星和星系的演化、类星体、脉冲星、超新星爆发、外星生命、暗物质和暗能量等。
　　毫无疑问，SKA将成为地球上又一个科学奇观。人们所关心的是，这个巨大的“天眼”会被安放在哪里？最新消息传来，SKA组织发布公告称，SKA项目的大部分，即三分之二的天线将建在南非，还有一部分将建在澳大利亚和新西兰。SKA建成后将成为世界上最大的射电望远镜。
　　开启射电窗口
　　自人类用望远镜观测宇宙以来，在开始的一段时间里一直是在可见光的引导下认识宇宙的。不论是恒星、行星、星云、星团，还是星系，只要有可见光，我们便会找到它们，认识它们。后来，红外线、紫外线、X射线、伽马射线等都渐渐地被用来观测宇宙，这其中还包括无线电波，所以现今的天文学是一种全波段的天文学。全波段天文学中的一扇重要“窗口”是无线电波，它被称为“射电窗口”，这个窗口的开启是人类认识宇宙的一件大事，它开创了一门崭新的射电天文学，为人类展现了一幅与此前完全不同的新宇宙图景。然而，引发这一巨大变革的并不是一位天文学家，而是美国贝尔实验室的一名电器工程师——央斯基。
　　1931年，央斯基在利用天线研究雷暴天气如何干扰通讯信号时发现了一个可能来自宇宙中遥远天体的干扰源。央斯基的天线设备很简陋，但它探测到了天体的无线电信号，因此也就成了世界上最早利用射电波观测宇宙的天文设备——射电望远镜。
　　天体究竟有没有无线电辐射，这在当时是一个问题，因为此前谁也没有想到它们会发出强烈的无线电波。许多人对央斯基的发现持怀疑态度，但美国的另一位无线电工程师雷伯却坚信央斯基的发现是真实的，他在他家的后院也安装了一个天线，利用这个天线，他证实了央斯基的发现。这个天线的主体是一个直径约9米的金属抛物面，它有点像模像样了，可以说是人类第一台真正为天文观测而制造的射电望远镜。射电望远镜的成像过程比光学望远镜复杂，它要不停地记录接收到的数据，然后通过对数据的处理获得所观测天区的图像。
　　如今，80多年过去了，射电望远镜也发生了巨大的改变。为了不断提高分辨率，人们除了增加射电望远镜的口径外，还发明了多项关键技术，包括射电干涉仪、甚长基线干涉仪、“综合孔径”系统等。有了这些技术，人们便可以用布设射电望远镜阵列的方法提高分辨率，还可以把多个地方的射电望远镜联系起来组成一台巨型的虚拟望远镜，这样的组合使射电望远镜有了不可思议的观测能力。
　　1993年，包括中国在内的10个国家的天文学家联合提议建造一个由3000台射电望远镜组成的巨型射电望远镜阵列，其中一半位于中央区一个直径5千米的范围内，其余则从中心向外延伸，排列得像一个伸出“旋臂”的螺旋星系。它是一个射电望远镜网络，光缆将每个望远镜连接在一起，巨型计算机同步处理接收到的数据，从而显示天体的细节。由于它的接收面积为一平方千米，所以它被人们称为“平方千米（射电望远镜）阵列”（Square Kilometer Array），简称SKA。
　　揭开类星体之谜
　　SKA毫无疑问是人类的一个雄心勃勃的科学计划，象征着人类射电天文学辉煌的未来，但它能让我们看到什么呢？为什么我们需要这样庞大的设备？它又将如何改变我们对宇宙的认识？要回答这些问题，我们必须首先知道此前的射电天文学已经为我们展现了怎样的宇宙图景。
　　射电望远镜出现后，天文学家们发现了越来越多的有射电辐射的天体，它们被称为射电源。有些射电源很奇怪，它们看似恒星，但又不是恒星，它们离我们极其遥远，而且还以极快的速度远离我们。它们处在如此遥远的地方却能被我们探查到，这说明它们具有极高的能量。它们是什么？为什么如此明亮又如此活跃？天文学家们一时找不到答案，于是就把这种奇怪天体称为类星体。
　　类星体是一个天文学之谜，即使在今天，我们对它们的认识也只是刚刚有了一点眉目。天文学家大多同意，类星体是活动星系的不可思议的核。所谓活动星系是相对于正常星系而言的。我们的银河系就是一个正常星系，这种星系很普遍，在人们观测到的所有星系中占98%，它们的活动已趋于平静，而活动星系则存在着大规模的剧烈活动。天文学家们发现，活动星系的核其实很小，但光度却大得惊人，乃至于抢夺了天文学家们的所有视线。
　　活动星系核为什么如此亮呢？现在的解释是，在活动星系中隐藏着一个高速旋转的“超大质量黑洞”，正是这个黑洞使活动星系有了极高的光度。由于黑洞的存在，黑洞周围呈圆盘状聚集的气体和尘埃便争先恐后地向黑洞的中心坠落，导致活动星系中心部分的物质非常密集，温度极高，能量极大。当物质密集到一定的程度，且温度也升高到一定的程度后，这些密集的物质就要寻找逃逸的出口了，于是两道高能喷射离子流从黑洞的两端向宇宙空间喷射出来。类星体就这样被黑洞所“点燃”，它变得极为明亮，所以简单地说，类星体就是被黑洞“点燃”了的活动星系。
　　类星体是射电天文学的一个重大发现，它揭示星系的发展历程，因为类星体其实就是正常星系的幼年阶段，代表了星系一生中最躁动不安的“青涩”年代。然而射电天文学的贡献还不只如此，因为它还发现了射电脉冲星。
　　发现脉冲星
　　在脉冲星被发现以前，有科学家已经预言了完全由中子组成的致密星——中子星的存在。根据推算，中子星的密度高得惊人，直径只有几十千米，质量却比太阳还要大。
　　这样的星是否真的存在？人们一直没有答案。直到20世纪60年代后期，由于大型射电天文望远镜的出现，人们才终于发现了几个神秘的射电源，它们都有奇异的快速脉冲辐射，因此叫脉冲星。其中最为人们熟知的是蟹状星云中的一颗脉冲星，它的脉冲信号以0.033秒为一个周期。科学家们终于想到了那个预言，那就是中子星。原来，当一颗有相当质量的恒星发生爆炸时，它的中心部分因反作用力而向内压缩，由此形成的压力大到足以使电子失去电性而成为中子，于是便诞生了一颗中子星。中子星在体积缩小时转速会加快，同时释放大量的能量。它的磁轴往往与自转轴有一定的角度，所以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就能收到一个脉冲信号。蟹状星云中的中子星的脉冲信号以0.033秒为一个周期，表明这颗中子星在以每秒30周的速度自转着。研究显示，蟹状星云中的中子星是一颗超新星爆发的产物。当时，一颗恒星坍缩变成了一颗超新星，蟹状星云就是那次超新星爆发留下的残骸，而那颗中子星则是恒星坍缩后留下的星核。就这样，射电天文学对脉冲星的发现和研究证实了中子星预言的正确性，同时也把恒星的演化过程完整地展示在了人们面前。
　　探寻宇宙“黑暗时期”
　　对类星体和脉冲星的发现，是20世纪60年代射电天文学迅速发展起来后取得的巨大成就。它的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弥漫于星际空间的星际分子，尤其是星际有机分子，这为解释宇宙生命的起源提供了一个崭新的视角。
　　现在，让我们像倒放胶片一样来回顾一下我们观测宇宙的历史吧。开始的时候，我们看到的是现在的宇宙，有璀璨的恒星、星团、星系和星云，还有被它们照亮的行星和卫星。再往前，我们看到了它们的演化：超新星爆发、星系的碰撞和合并，它们在各种波段下向我们展现了令人惊异的壮丽图景。我们还看到在十分遥远的地方像焰火一样照亮宇宙的伽马射线暴，这是宇宙早期恒星相互碰撞或发生爆炸所产生的结果。那些星离我们是如此遥远，乃至于当年产生的闪光在宇宙中穿行了100亿年甚至更长时间后才在今天被我们看到。当然，我们还看到了类星体、发现了脉冲星和黑洞。至此，我们看到的是一个充满了光的宇宙。但再往前，当我们的视线延伸到130亿年之前时，我们的宇宙忽然倒退到了一个“黑暗时期”，那时宇宙没有任何发光天体，唯一的“光源”是正在逐渐降温的宇宙微波背景辐射。
　　天文学家们推测，在宇宙的“黑暗时期”，由于引力的不稳定性，宇宙中出现了一些“暗晕”，它是暗物质聚集的团。“暗晕”吸收普通物质，启动恒星和星系的形成，在星系的产生和发展中扮演至关重要的角色。正是暗物质的引力引发了宇宙第一代发光天体的诞生，产生了最早的恒星和星系。
　　研究宇宙的“黑暗时期”是现代天文学的一个重大课题。这也是人们对SKA寄予厚望的原因，因为SKA的观测灵敏度是目前地球上任何射电望远镜阵列的50倍，分辨率是后者的100倍，扫描太空的速度是现今在这方面表现最佳的望远镜的1万倍。天文学家们相信，SKA将是史无前例的“时间机器”，它能把我们带到宇宙大爆炸后的早期宇宙，让我们研究黑暗时期的宇宙状态，包括暗物质，暗能量等现代物理学和现代天文学的重大问题。
　　为黑洞“留影”
　　SKA还将被用来研究黑洞，这也是现代物理学和现代天文学的另一个“热点”。黑洞的概念最早是由爱因斯坦的广义相对论导出的，在随后的数十年间又经过了大量的观测和验证，但人们从来没有直接看到过黑洞，也没有拍摄到黑洞的照片。
　　现在可以基本肯定的是，一个神秘的超大质量黑洞就隐藏在银河系的中心，它的质量是太阳质量的400万倍，距离地球约26000光年。科学家们发现，接近银河系中心的恒星运行得非常快，这被认为是超大质量黑洞存在的有力证据，因为那些恒星的“反常”行为正是黑洞的引力造成的。
　　但黑洞不发光，又如何为它拍照呢？不用担心，功能强大的射电望远镜可以做到。由于黑洞的周围有旋转下降的物质流，它们在坠入黑洞的过程中温度极高，能量极大，因而能被射电望远镜探测到。有了这些能量的数据，科学家们便能勾勒出黑洞的外部轮廓，这个轮廓被称为黑洞的“视界”。假若人们真的得到了“视界”的成像，那么爱因斯坦的广义相对论就能够得到验证。这曾经被认为是一个遥不可及的梦想，但现在人们相信，如果有了SKA，再加上与其他望远镜，例如正在建设中的射电望远镜阵列ALMA相组合，这个梦想就不难实现。
　　“小绿人”，你在哪里？
　　在人们发现射电脉冲星的时候，还有一个小插曲。开始的时候，面对神秘的射电脉冲信号，科学家们首先想到的并不是中子星，而是“小绿人”，这是人们对外星人的昵称。这个猜测之所以被推翻，是因为他们又发现了另外3个也发射这种脉冲信号的射电源，很显然，不会有这么凑巧，4个地方的“小绿人”都在以同样的频段同时给地球发信号。
　　但“小绿人”的假说不合理吗？也不是。随着人类对宇宙理解的日益加深，人们越来越觉得，恰恰是那种认为宇宙中除了人类之外不会有其他智慧生命存在的想法才是不合情理的。这一方面是因为人们认识到，宇宙是如此地辽阔，没有理由认为只有太阳系才能孕育像地球这样的生命星球，而其他地方就一定不能；另一方面，人们又发现，生命在宇宙中是很普遍的存在，它们的适应能力很强，能在很多连我们都想象不到的地方生长繁衍。假若在我们的地球上，生命能够从低级进化到高级，进而演化出智能生命，创造出地球文明，那么在其他星球上，同样的事情为什么就一定不能发生呢？
　　这就是为什么许多科学家坚信存在“外星人”并且坚持不懈地寻找它们的缘故，他们还认为，在辽阔的宇宙中寻找智慧生命，最理想的办法就是利用射电波，因为射电波以光速传播，效率高，速度快，花费不大，切实可行。1960年，著名的“奥兹玛计划”正式启动，它翻开了人类利用射电望远镜搜寻地外文明的崭新篇章，也标志着“探索地外文明”（SETI）活动的开始，那是人类第一次有目的、有组织地实施寻找“外星人”的计划。天文学家们使用位于美国西弗吉尼亚的绿岸射电望远镜搜索来自宇宙空间的射电信号并企图从这些信号中发现有独特生物学特征的信息。他们还用世界上最大的、直径305米的阿雷西博射电望远镜向银河系的武仙座球状星团M13发送了一次专门针对外星人的射电波。那次发射的内容是一连串数字，它们构成了一幅由1和0组成的电码图，其含意包括氢、碳、氮、氧、磷等元素的原子序数，人类的DNA构造，人类的外形和身高，地球在太阳系中的位置等。M13包含几十万颗恒星，距地球2.51万光年，所以这份“电报”大约要在宇宙中“旅行”2.5万年才能抵达目的地。假若“外星人”收到了这份“电报”并且回复，那么又需要2.5万年才能被我们收到。
　　我们至今尚无法证明任何来自宇宙的射电信号是由地外智慧生物发射的，难道我们在宇宙中果真是孤独的？还是我们错过了什么？要解开这个谜，人类需要有更强大的射电望远镜，在这方面，SKA有望有所作为。SKA拥有足够的灵敏度，在辨别人为产生的无线电信号方面比此前的望远镜更胜一筹，所以，也许SKA能告诉我们宇宙中是否真有“小绿人”，从而破解一个困扰人类多年的未解之谜。
　　SKA的“中国元素”
　　中国的射电天文学在20世纪80年代后开始有了长足的进步，一些中型射电望远镜在射电天文研究和国际合作中起着重要作用，例如上海佘山25米射电望远镜和乌鲁木齐南山25米射电望远镜都是与国际射电望远镜联网的一流设备。2003年，我国科学家开始筹划“宇宙第一缕曙光”探测项目，这个项目的目的是收集宇宙“黑暗时期”氢元素的特殊辐射信号，捕捉宇宙中第一批恒星发出的光。这个项目又被称为21CMA，2005年开始投入观测，它目前是世界上最早开展同类课题研究的唯一大型射电望远镜阵列。
　　中国还正在致力于建设一架500米口径的球面射电望远镜，简称FAST，其口径将超越美国的阿雷西博射电望远镜。FAST的500米口径反射面由大约1800个六边形球面单元拼合而成，它像一个巨碗，躺卧在贵州一片喀斯特洼地中。FAST预计2014年建成，建成后，它将作为世界最大的单口径望远镜冲击射电天文学最前沿领域的重大课题。
　　SKA是一个国际合作项目，其参与国已达20个，而中国一开始就是这个项目的倡导者和参与者，今后，中国科学家还将在这个项目中继续发挥作用。按照计划，SKA第一期300个射电望远镜将于2019年投入使用，预计2024年前后整个项目全部完工，2030年底全面投入使用。
　　追求真理是人类最可贵的品格，宏伟的“平方千米（射电望远镜）阵列”正是新千年人类求知欲和探索精神的象征。它的最大价值就在于，尽管我们的人生短暂，在世至多不过百年，但我们却能知道130多亿年前发生的事，让我们思考自然的真相、万物的道理、宇宙的本源，让我们了解一切究竟是如何开始的，而这，也正是我们需要SKA的理由。