2021年4月，我国第十三届全国人民代表大会常务委员会第二十八次会议批准《成立平方公里阵列天文台公约》（以下简称“《公约》”），习主席签署了批准书。根据《公约》，自2021年6月26日起我国正式成为平方公里阵列天文台成员国，中国参与平方公里阵列射电望远镜（SKA）进入全新阶段。

　　平方公里阵列天文台是依据《公约》于今年年初成立的政府间国际组织，总部设在英国，台址分设在南非和澳大利亚。2019年3月，我国与澳大利亚、意大利、荷兰、葡萄牙、南非、英国等6个国家作为创始成员国在意大利罗马签署《公约》。

　　Q：SKA是干什么的？

　　SKA是国际天文界计划建造并将运行50年的世界最大综合孔径阵列射电望远镜，SKA 致力于回答人类认识宇宙的一些基本问题，特别是关于第一代天体如何形成、星系演化、宇宙磁场、引力的本质、地外生命与地外文明、暗物质和暗能量等。

　　SKA项目同时在澳大利亚和南非建设，所有观测仪器分布在半径约3000公里的地理圈内，相互之间采用极高性能的计算引擎和超宽带连接，并设有处理大量数据的“大脑”。这个射电天文望远镜的超大集群，全部反射镜面对宇宙信号的接收面积总计达1平方公里，拥有史上最高的图像分辨率，灵敏度高于任何现存射电望远镜50倍以上，并能以高出1万倍的扫描速度完成巡天扫视，发现遥远无边的空间尽头，解答宇宙起源和演化的基本问题。科学家因此认为，人类开始进入了绘制宇宙地图的新时代。

　　Q：SKA有哪些特点呢？

　　与传统望远镜相比，SKA更像是一个“软件”望远镜。SKA产生的数据流远远超出全世界互联网流量的总和。

　　凭借超高灵敏度、超大视场、超快巡天速度和超高分辨率，SKA将人类视线拓展到宇宙深处，有望在宇宙起源、生命起源、宇宙磁场起源、引力本质、地外文明等自然科学重大前沿问题上取得革命性突破。

　　Q：为什么会建设SKA？

　　之所以建造一个如此巨大的阵列的原因在于：无线电波的波长远远超过可见光。一架光学望远镜的观测波长可达到10毫米，将其“放大”到射电天文学研究需要的厘米波长遭遇挑战。

　　e-Merlin望远镜阵列——坐落于英国曼彻斯的乔德莱尔-班克射电天文台——负责人西蒙-加林顿指出：“为了获得与先进光学望远镜同样的观测细节，你需要镜面直径100公里的望远镜。很显然，你不可能建造一架口径100公里的望远镜，但你可以建造一个望远镜网络，通过将它们连接在一起达到同样的效果。”

　　SKA将世界上主要的射电望远镜纳入观测网中，组成一个更大规模的射电观测网，SKA的灵敏度将达到地球上任何射电望远镜阵列的50倍，解析度则将是后者的100倍，而且比目前世界上的任何一个天线快数千倍，有评论认为SKA的高灵敏度甚至可以监听到外星文明的信号。从更长远的角度来说，利用SKA进行射电观测将描绘出再电离的拓扑结构，揭示出宇宙再电离是怎样发生的以及它的来源是什么。

　　Q：SKA的科学任务包含哪些？

　　SKA的科学任务主要概括如下：

　　1.探索生命起源

　　SKA的目标之一是观测年轻恒星附近的物质带中行星演化过程。行星源于含有尘埃与气体的物质带，相比于星际尘埃，这些尘埃颗粒半径通常在微米之下。

　　在“第一行星”的物质带中，尘埃物质开始相互碰撞，并在气体中坠落，坠落中由于引力相互吸引开始加速，形成“卵石”，接着聚集形成“巨砾”，最后形成行星。

　　有一个问题至今没研究清楚——尘埃加速如何形成“卵石”而不是相互破坏。为此，探测行星形成的关键要在与尘埃物质大小的波长上进行观测，通常需在1cm波长附近的波段上观测，而SKA的高频观测特性（25GHz）恰恰允许其观测到行星形成的过程。

　　另外，SKA具有毫角秒的分辨率，在距地球最近的恒星形成区域（距离约150pc），1天文单位相当于大约7角秒的角度，SKA能够弄清第一行星物质带中的物质结构。许多生命发源之前的大有机分子已在星际空间被发现。这些有机分子的典型辐射频率在10～20GHz，理论上在更低的频率上可观测到更大有机分子。SKA能搜索到生命起源之前的分子和探索有机化学的分布范围并寻找星际空间生命的初期形式。

　　最后，SKA还可能探测到来自另外一种文明的信号，并提供宇宙其他地方生命存在的直接或间接证据。如此高分辨率的SKA将会比任何之前的巡天观测对银河系有更加深入的研究。

　　2.脉冲星和黑洞计时进行引力强场试验

　　SKA的另一项科学任务是在银河系中对射电脉冲星进行巡天搜寻，并判断这些天体是否适合在相对论特别是广义相对论理论下探测强场引力。

　　当前科学家已估计银河系约有20000颗吸积能脉冲星。SKA可借助其强大的灵敏度找到所有这些脉冲星。Taylor对PSR1916+16的观测研究，提供了验证在广义相对论下对引力波探测的间接证据，获得1993年诺贝尔奖。然而，银河系包括大量这样可提供更严格测试的脉冲星系统。为了完成对银河系的巡天搜索，SKA更加注重脉冲星的高精度计时观测，以获取引力波效应的信息。

　　3.宇宙磁场的起源和演化

　　这项重要科学研究工程的另一项重要任务是探测银河系、星系团和银河间的空间磁场的起源及其作用，并绘制出全空域格网点的磁场测量值。

　　电磁学是最精密的物理理论之一，磁场充满了整个内外星际空间，影响着星系与星系团的演化，对星际气体的总压强有影响，同时对恒星形成的开始时刻具有重要的作用，能够控制星际介质中宇宙射线的密度分布。

　　尽管如此，但最基本的问题还是集中在宇宙磁场的起源和演化上。而无电波则通过一个磁化的等离子体探测法拉第效应，提供了SKA对宇宙磁场的有效且惟一的探测方式。

　　4.探索黑暗时期

　　这项重大科学工程的一项任务是探索宇宙中的首批发光物体及其形成。当红移量大约为1100时，质子与电子中和形成氢原子和光子，宇宙大部分变成中性，宇宙微波背景开始在宇宙中自由地流动。现在宇宙大部分电离，宇宙的再一次电离的时期被认为在z≈6～10的时期。从红移量约1100到再电离时期的间隔被认为黑暗时代。再电离时期的红移量是如此大，以致于只有在大于1μm微波上的观测量是有效的，SKA在探测黑暗时代的结束时间有着重要的地位。

　　5.星系的进化宇宙论和暗能量

　　这项重要的科学工程的关注点是对银河系的中性氢物质起源进行更深入的调查。SKA很容易发现来自于银河系的红移量z为1的中性氢物质，积分时间增加时，还可以探测到更高红移的物质。这样就可能发现超过十亿个星系的中性氢，那么SKA的巡天搜寻将是解释宇宙进化的不同方面的重要工具。

　　6.其他天体的发现

　　由科学的历程可知新技术会导致很多的发现，射电天文学本身是这种现象的杰出例子。宇宙射电源的发现是Karl在对长距离无线电广播的静电源做调查研究的过程中偶然发现的。正如上面所言，自从Karl发现宇宙中的射电波以来，射电波段的观测能比许多地面工作研究对现代天文学作出更大的贡献，包括非热发射的过程、类星体、宇宙的微波背景、脉冲星、微波发射星体和太阳系外的行星系的发现。此外，大多数发现都是偶然。由于SKA无法比拟的敏感度，将会产生更多不可思拟的发现。