數千年來，人類探索宇宙的腳步從未停止過，但是在伽利略改進望遠鏡使其可以放大幾十倍之前，人類甚至都沒有細緻觀察過距離我們最近的月球。可以說，在天文望遠鏡出現之後，人類才有了開荒的工具，才能夠把視野投向更加“蠻荒”的宇宙。

折射式望遠鏡、反射式望遠鏡、折返式望遠鏡，對於可見光以外的波段，人類發明了射電望遠鏡，當單體射電望遠鏡的發展逐步受限於製造水平的進步速度時，人類又發明了綜合孔徑射電望遠鏡……

中國製造的世界上最大的球面射電望遠鏡——FAST，500米口徑

但是，面對跨度動輒百萬光年的距離，不論是目前最大的單體射電望遠鏡還是已有的綜合孔徑射電望遠鏡，規模有限解析度更是有限，而將全球現有分散的射電望遠鏡組成通訊網路則無法記錄統一的訊號和時間，在分析資料前還需要進一步轉化，加之現今大部分射電望遠鏡還依靠機械式掃描跟蹤目標，全球同步跟蹤目標的效率就更低了。

因此，把望遠鏡的傳統干涉技術與線控雷達技術結合在一起，並建造一臺用超級計算機進行資訊化控制的綜合孔徑射電望遠鏡就是人類下一階段的建設目標。

現在，這個目標已經開始實現，平方公里射電望遠鏡（SKA）計劃的第一階段建設已經於2018年正式開始，2019年中國作為SKA專案的創始國之一簽署了“羅馬公約”，標誌著平方公里陣列天文臺正式成立。

（一）人類歷史上最大的科學工程

平方公里陣列望遠鏡（Square kilometer Array）是國際天文界計劃建造的世界最大綜合孔徑射電望遠鏡，其接收面積達到一平方公里，是一個由三千多個反射面天線和一百萬個低頻天線組成的、覆蓋跨度3000公里的巨大綜合孔徑陣列。

直徑十五米的高頻反射面天線由於價效比高，是SKA專案中主要使用的天線之一

綜合孔徑射電望遠鏡的空間解析度取決於觀測所用的基線長度，而靈敏度則取決於各個天線的總接收面積。SKA專案組成的孔徑陣列無可匹敵的基線長度和天線總數目，使得其在觀測範圍方面很大程度上將超過哈勃太空望遠鏡的影象解析度品質，在靈敏度方面則是目前人類最靈敏的射電望遠鏡陣列的五十倍，分析資料的能力是後者的一百倍。

高約兩米的低頻孔徑天線，是SKA專案另一種中主要使用的天線

在地球上具有完美射電靜默背景並可以佈置大面積天線陣列的地區中，SKA計劃選址在南非的沙漠地區（高頻和中頻陣列望遠鏡部分）和西澳洲地區（低頻孔徑望遠鏡部分）。天線陣列的排列方式並不均勻，以南非的天線陣列為例：佔總數量百分之五十的碟形天線組成的緻密陣列位於核心五公里的範圍內，包括三種天線，分別為高頻波段天線、偶極天線和中頻波段天線，百分之二十五位於外部二百公里範圍內，最後百分之二十五位於外部三千公里範圍內。

通過中央區域密集分佈和以中心為圓心沿著懸臂向四周散佈的陣列方式，右圖為中心區域的密度

除了建造難度巨大，要控制這樣大規模的相控陣列網路也絕非易事。為了保證數千個天線訊號同步精度達到一百零八分之一秒以內，相鄰天線之間全部用光纖連線，使用光纖總長度可以繞地球兩週。

為了能夠及時處理每個訊號接收節點的資訊，所有的天線都配備有對應的智慧接收機，實現天線接收到的訊號數字化，各個站點將把這些資料壓縮成更易於管理的資料包，傳送給中央處理器。

為此，兩臺世界上最快的超級計算機將被用於處理SKA共計130萬個天線數字化後產生的資料，資料量相當於全球網際網路流量的一百倍，每年將儲存並分發600拍位元組（1拍位元組=1024TB）的資料，可以說是真正的大資料望遠鏡。

超級計算機將被用於SKA資料處理

SKA計劃的時間跨度也是空前的，1991年，包含中國在內的十國天文學家提出了SKA初步設想，1993年國際工作組建立，2008年開始概念設計，2012年選址……在2018年正式開始SKA1階段的建設之前，這個人類歷史上最大的科學工程已經使用了二十多年的時間進行設計和談判。

2018年開始的SKA第一階段（SKA1）將完成佔總規模百分之十左右的望遠鏡，到2023年完成，內容包括非洲反射面天線和澳洲的低頻天線，分階段完成可以提前進行科學觀測，2023年開始的SKA第二階段（SKA2）將補充裝置，這種補充不僅是在數量上，在非洲區域還可能增加新型的中頻孔徑陣列，直到2030年整體建設完畢。

當然，與SKA專案可能顛覆的、人類從發明望遠鏡至今400年形成的宇宙認知相比，四十年的準備並不算太長。

（二）中國設計的天線，為SKA提供“眼睛”和“耳朵”

作為SKA專案創始國之一，中國參與了天線（DSH）、低頻孔徑陣列（LFAA）、中頻孔徑陣列（MFAA）、訊號與資料傳輸（SaDT）、科學資料處理（SDP）和寬頻單畫素饋源（WBSPF）等六個國際工作包聯盟的研發工作，特別是在專案的核心裝置——收發天線的設計中起到了引領和主導作用。

2014年澳洲平方公里射電望遠鏡探路者（ASKA-P）望遠鏡36個天線全部由中國提供。

36個ASKA-P天線之一

2018年2月6日，中國主導研製的平方公里陣列射電望遠鏡天線探路者（SKA-P）的首臺新型裝置成功啟動試執行，為專案提供了目前世界上最先進的天線解決方案。

中國製造的新型SKA-P反射面天線

射電望遠鏡的天線組成了整個系統的眼睛和耳朵，其原理同光學望遠鏡聚焦光線一樣，也將投射來的目標天體的射電輻射，用鏡面反射之後同相到達公共焦點，然後接收機將這些訊號加工、轉化成為可供記錄和顯示的形式，終端裝置再把訊號記錄下來。

在這個過程中，影響射電望遠鏡的基本指標是：空間解析度（區分兩個相互靠近天體的射電點源的能力）、靈敏度（探測微弱射電源的能力）和巡天速度（快速掃描觀測同一天區的能力）。

SKA-P反射面天線包含主副兩個反射面，主反射面總面積達到235平方米，由66塊邊長為三米的三角形面板拼接而成，在將這些曲率各不相同、精度為0.1毫米的面板拼接成半個籃球場大小的平面時，整個“鏡面”的精度達到了0.5毫米，副反射面更是將組裝的精度控制在0.2毫米以內。同時，在實際使用中的不同溫度、風載荷和俯仰工作範圍內的重力影響下，也都能夠保證誤差控制在一個極小的範圍內。

為了排除人造電磁破和地磁雜波的干擾，天線系統中還採用了高電磁遮蔽電線座架設計，定向的遮蔽掉電子裝置輻射的電磁訊號，讓這個靈敏的“耳朵”可以“屏息聆聽”宇宙的聲音。

SKA-P反射面天線摒棄了傳統的機械掃描方式，裝配有相位陣列饋源（PAF）。它的前輩——ASKA-P天線工作時，同時產生三十個獨立的波束覆蓋三十平方度（手臂伸直時小拇指的寬度約為一度）視界來給天線提供廣闊的視場（FoV），使望遠鏡能夠同時觀測較大範圍的宇宙空間，並在保持相當高精度的前提下，加快了巡天速度。

2014年尚處於除錯狀態的ASKA-P巡天觀測速度已經是南半球任何同級別望遠鏡的兩倍，可以預見，SKA-P的速度還將大幅度提升。

射電天線的本質是發揮“射電照相”的作用（在非可見光波長範圍內），為了捕捉遙遠太空中的“光”，這個“照相機”的“曝光時間”非常長（ASKA-P系統拍攝的南天極區域耗時12小時），要保證最終建成的覆蓋數千公里範圍，幾千個天線的SKA系統穩定“拍攝”，實現最大的接收效率，就要保證所有天線同時對準一個目標並持續同步跟蹤觀測。

SKA-P天線的控制系統採用的全數字高精度伺服驅動控制系統、高精度座架和天線結構的保型設計，能夠為組成望遠鏡的天線設定特殊的旋轉軸，實現了千分之三高指向性精度。統一的旋轉軸有助於望遠鏡長時間工作，相當於給照相機添加了手持穩定器，幫助穩定望遠鏡的朝向，提高影象品質。

alma射電望遠鏡發現有史以來最古老的合併星系

除了天線設計製造領域，在科學資料處理方面，中國擁有“神威.太湖之光”等世界最強的超級計算機研發和使用經驗，這些也為SKA提供硬體支援。另外在2005年，中國在新疆建設了包含一萬個天線的陣列21CMA，為SKA的資料分析工作做了大量準備，做出了有中國自主智慧財產權的分析軟體，這對於未來SKA資料成像的工作有著重要的意義。

（三）更高靈敏度、更快搜尋速度，只為回答終極問題

就在剛剛過去的國慶長假期間，位於中國貴州的世界最大單口徑射電望遠鏡，被譽為“中國天眼”的五百米口徑球面射電望遠鏡（FAST）又新發現並認證了3顆脈衝星，至此，FAST已經發現並認證的脈衝星數量達到近百顆。

而SKA有望克服包括FAST在內的單口徑射電望遠鏡的缺陷和不足，同時獲得更高的靈敏度、更大的視場、更高的頻率、更高的空間解析度、更高效的巡天能力，因此將不僅能用於發現脈衝星，驗證愛因斯坦的引力理論，還可以捕捉宇宙第一代天體誕生，探索星系的演化、宇宙大爆炸後暗能量的發展、宇宙磁場的作用，甚至探測微弱的外星訊號並在太空中尋找能夠形成生命的複雜分子，乃至為人類尋找地球以外的宜居星球……

SKA是中國參與的重要的國際科學裝置，是體現“人類命運共同體”的科研實踐，中國不僅可以從中取得基礎科學前沿領域的突破性成果，同時也為解決人類問題貢獻了中國智慧和中國方案。