繁星秘語，曠野聆聽。 在南非卡魯荒漠深處，數十台射電望遠鏡呈旋臂狀鋪陳，巡天望遠，探索著宇宙的奧秘——這是中國首個深度參與的國際大科學工程“平方公里陣列射電望遠鏡”（SKA）。 SKA是由全球多國出資共同建造和運行的世界最大規模綜合孔徑射電望遠鏡，被譽為“世界巨眼”。 日前，記者深入該專案南非台址，採訪多位科學家及工程人員，瞭解其最新建設進展及科學發現。
寂靜之地，豎起撐天巨傘
碟形天線通過陣列佈局實現更強信號接收與連接
在南非當地語言里，「卡魯」意為「寂靜之地」。。 這片荒漠與半荒漠地帶面積約40萬平方公里，零星散落的村鎮動輒相隔上百公里。 大自然塑造了這裡的荒涼和孤寂，也為天文觀測創造了絕佳條件。
SKA採用雙台址方案，低頻陣列位於澳大利亞西部，中頻陣列以南非為核心並擴展至非洲南部8個國家。 “目前南非與澳大利亞是少數受光污染較小的天文觀測地，這也是SKA選址於此的重要原因。” 國際天文學聯合會主席威利·本茨表示，「在地球表面進行深空探測面臨多重挑戰，光、聲、電磁信號以及建築物等都會影響觀測，我們需要盡可能地遮罩一切物理干擾。 ”
據介紹，南非台址將由分佈在3000公里範圍內的數千台15米口徑的碟形反射面天線組成，它們相互間利用射電干涉原理連接。 截至目前，SKA專案南非與澳大利亞兩處台址首期建設均已完成階段性目標。 其中，南非台址已建成64台天線（即先導專案MeerKAT射電望遠鏡），另有15台由中方設計承建的天線正在現場裝配中。
進入SKA南非台址有特殊規定，所有人員從近百公裡外的卡那封小鎮啟程時就需處於「無線電靜默」，一切手機信號、無線網路、藍牙、熱點均須關閉。 記者隨採訪車隊向SKA項目現場進發，沿途是看不盡的荒原景象。 當高聳的碟形天線遠遠出現在視野中時，大家不由驚呼“終於有了發現”。 車行愈近，天線越多，它們像一把把潔白的撐天巨傘，靜靜矗立於荒原之上。
“從上空看，它們是一個從中心向外逆時針旋臂展開的陣列，越往中心天線越密集，越向外天線的間隔距離越大。” SKA中頻望遠鏡總監琳賽·馬格努斯向記者介紹，“這種陣列佈局是為了更好地覆蓋信號，在不同頻率和方向上有更好的接收及連接效果。 ”
走進碟形天線陣列，每台天線支架高約11米，支撐起15米翼展的主反射面，這些「大盤子」時而以設定的節奏統一轉向、俯仰，發出「吱...... 吱......“的機械運轉聲，時而又”分散行動“，幾台朝向特定方位轉動，另外一些則豎直接收面不再動彈，仿彿進入休息狀態。
SKA南非專案總機械師奧科爾特帶記者來到一台編號“001”的碟形天線下，打開支架艙門，裡面密佈著各種控制線路。 “天線可以手動操控，也可以通過後台程序進行自動巡天跟蹤。” 奧科爾特一邊手動控制天線接收面轉向，一邊解釋說：“SKA的最大優勢是信號接收面在更大範圍內可控，首期專案我們將安裝197台碟形天線，後期還會安裝數千台天線，形成更大陣列。 ”
項目現場除了林立的射電天線，在一片丘陵的背後還有一個建築群，主要由數據中心和配套設施組成，是SKA的“神經中樞”。 馬格努斯說：「SKA產生的數據是海量的，平均每秒就有約8TB的數據產出，然後通過專用寬頻輸送至超級計算機進行處理。 最終，這些數據將被分享給多國科學家，這是一個全球專案。 ”
多國攜手，探究宇宙奧秘
SKA展現廣域巡天、高靈敏度、高解像度等特徵
SKA是中國首個全程參與並扮演重要角色的國際大科學工程。 1993年，包括中國在內的10國共同發起建造SKA的倡議。 2011年，中國等7國共同創建了國際SKA組織，該組織於2021年過渡為政府間國際組織——SKA天文臺，正式成為全球性科學合作聯合體。
SKA天文臺總幹事菲力浦·戴蒙德表示：“這是一個跨越五大洲和南北半球的獨特組織，我們不僅需要觀測地的基礎設施和數據傳輸，更需要全球各大算力中心的數據處理與分析。 我們已建立起各國共建共用這個新一代科學平台的機制。 ”
射電望遠鏡是接收和觀測無線電波的望遠鏡，相較光學望遠鏡，它具有穿透力更強、解析度更高、數據收集更穩定等特點，是當前宇宙觀測的主要設備之一。 我們熟知的“中國天眼”——500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）代表著目前單口徑射電望遠鏡技術的最高水準，其靈敏度可探測100億光年外的信號。 SKA則屬於綜合孔徑射電望遠鏡，通過多面天線組合形成等效大孔徑觀測，相當於把地球變成一個「星球級鏡頭」來觀測星空。 平方公里級的等效接收面積，意味著超高的靈敏度和科學發現能力，可以發現大量過去無法被探測到的極微弱信號。
“SKA作為新一代射電望遠鏡技術的代表，具有廣域巡天、高靈敏度、高解像度、觀測速度更快等特徵。” 南非斯坦陵布希大學天體物理學部主任馬寅哲對記者表示，“SKA是一個不斷發展中的專案，一些先期成果證明，它已將人類的視野向前大大推進。 “目前MeerKAT已取得一系列觀測成果：2022年，首次合成出銀河系中心照片，清晰展現球狀超新星爆炸圖景; 今年2月，發現了一個大小相當於銀河系32倍多的巨型星系，有助於進一步瞭解宇宙中大型星系的起源和演變; 今年10月，在距離地球超過40億光年的11個星系中探測到中性氫信號，通過這種信號，科學家能夠“聽見”數十億光年外星系中氣體的運動、聚集與恆星形成過程。
“千百年來，人類用各種方法探索宇宙，形成一張張宇宙圖景的拼圖。 我們的任務之一是將這些拼圖進行整合，進一步看清宇宙演化過程。 “SKA首席科學家邁克拉瑞·格裡菲斯介紹，”宇宙物質的連接形態，磁力、重力的影響，脈衝星的運動規律以及新的天文研究方法都是SKA專案預期實現的目標。 ”
中國力量，助力建設研究
SKA與FAST優勢互補向多領域合作拓展
在SKA專案展廳，一張通過國旗標識來展現各國參與碟形天線建設的背景牆引人注目，其中中國國旗的出現頻次最高。 SKA中頻望遠鏡裝配、集成與驗證部門負責人奧斯卡·莫約表示，中國是該專案的重要貢獻者之一。 中國提供了SKA中頻天線結構，包括主反射面和副反射面，並與驗證團隊合作，確保天線結構能夠達到設定的目標。 未來，中國還將提供64台天線作為實物貢獻。 中國也是SKA區域科學中心的關鍵參與者。
中國電科網路通信研究院是SKA在建中頻天線結構任務的一級承包方，負責設計、製造、運輸、集成和調試等任務。 馬格努斯對來自中方的中頻天線給予充分肯定。 他說，碟形天線的主反射面由66塊邊長3米的獨立面板組成，每塊面板都經過亞毫米級精度的調整，以確保反射面的光滑，而且每塊面板都依據其所處位置而具有特定的曲率。 高精度對於收集來自太空的無線電波、確保實現觀測目標至關重要。
今年5月，清華大學聯合義大利、澳大利亞、德國等多國天文學家，利用FAST和MeerKAT對銀河系球狀星團進行了高精度觀測，繪製出更清晰的銀河系磁場圖譜，為理解星團演化和銀河系磁場提供了新的視角。 這是兩台全球頂尖射電望遠鏡在球狀星團研究領域的首次深度合作，未來雙方還將合作追蹤脈衝星突變、研究星際湍流，甚至探索地外文明。
馬寅哲表示：「FAST位於北天區，SKA居於南天區，二者互補合作意義重大。 FAST的單體半徑巨大，觀測的深度及精度都很高; SKA則在觀察範圍和效率上更具優勢，但也面臨數據處理的挑戰，所以全球合作成為必然。 ”
“我們能聽到什麼，取決於這裡有多安靜。” 這是SKA南非台址對來訪者「無線電靜默」的提示標語。 在這之下，一則古老的對話引人遐思：一位歐洲探險者曾來訪此地，他對滿天繁星癡迷而不解，當地部族長老勸他靜心聆聽，這茫茫夜空之中，星星不是一直在歌唱嗎？ 我們相信，隨著人類探測設備的不斷進步，未來將“聽到”“看到”更多宇宙的奧秘。
