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全球最大射电望远镜开建,中国天眼不再是世界第一?

人的眼睛只能看到波长介于380至750纳米的可见光,宇宙中还有很多波长比可见光长得多的电磁波,比如无线电波。为了观测宇宙中的无线电波源,就需要通过射电望远镜。口径越大,射电望远镜就越灵敏,分辨率也会越高,这样可以探测到更加微弱的宇宙信号。

作为全球最大的单一口径射电望远镜,中国天眼(FAST)的口径达到了500米。凭借着超高的灵敏度,FAST开机运行后不久,很快就观测到了神秘的快速射电暴(FRB),以及数百颗脉冲星。

脉冲星其实就是恒星死亡后留下的致密中子星,它们辐射出的无线电信号极其稳定,在未来可以被用于星际飞行的导航星。此外,FAST还有一个让普通人非常感兴趣的目标,那就是搜寻外星文明发出的无线电波。

射电望远镜已经展现出了强大的观测能力,此前直接拍摄到的M87超大质量黑洞照片,就是利用了位于全球的射电望远镜。因此,天文学家还在不断追求建造更加强大的射电望远镜。

目前,新一代的巨型射电望远镜阵列――平方公里阵列(SKA)已经正式开建,中国也参与其中。那么,这个新的射电望远镜究竟有多强大?FAST不再是世界第一了吗?

30年前,天文学家提出了构建巨型射电望远镜阵列的设想。经过多年的全球选址,SKA最终落户南非和澳大利亚,这两个国家都有理想的无线电静区,受到的干扰较少,这可以让射电望远镜接收到来自宇宙深处的微弱无线电波。

与单口径射电望远镜不同的是,SKA是一组射电望远镜阵列。按照计划,南非台将会建造数千个独立射电望远镜,而澳大利亚台将会建造100万个有线天线。综合而言,这些天线的总接收面积可达1平方公里,这也是平方公里阵列名称的由来。

虽然SKA的每台天线不大,分辨率有限。但通过所有天线接收相同的无线电波,再对这些波进行干涉,这样可以得到等效口径相当于射电望远镜之间距离的综合孔径射电望远镜。事件视界望远镜就是利用这种干涉技术,使得等效口径相当于地球直径,这样才有能力直接观测到5400万光年外的黑洞。

凭借着巨大的接收面积和基线长度,SKA将成为全世界最大的射电望远镜,其灵敏度是目前最强射电望远镜阵列的50倍,而速度则要快上1万倍,每秒收集多达13 TB的数据,它将能捕捉到比哈勃太空望远镜分辨率更高50倍的图像。

按照计划,SKA将耗资20亿欧元,折合人民币151亿元。目前,SKA已经正式开建,我国积极参与这个国际合作项目,提供了各项技术支持。SKA预计在2028年全面建造完成,并且将会持续运行50年。

SKA被天文学家寄予厚望,它将有望回答一些重大的宇宙问题:

(1)广义相对论的极端测试

引力透镜、引力波、黑洞、引力时间膨胀效应,诸如此类的引力现象,都是爱因斯坦广义相对论的预言,这个引力理论已经经受住了各种严苛测试。通过SKA搜寻脉冲星,使其作为引力波探测器,或者观测绕行黑洞的脉冲星,天文学家可以非常极端地检验广义相对论的极限。

(2)窥探宇宙起源

SKA可以观测到宇宙的最深处,接收到宇宙中第一批恒星和星系发出的光。不仅如此,SKA还能看到第一批恒星和星系诞生之前的宇宙黑暗时代,那时距离宇宙大爆炸才过去30万年,距离现在已经过去了138亿年。

(3)揭示神秘的暗物质和暗能量

要说当今宇宙学中最重大的两个未解之谜,无疑是暗物质和暗能量。我们在宇宙中所能直接观测到的物质和能量只占宇宙质能总和的5%,另外95%都是神秘莫测的暗物质和暗能量。

暗物质提供了星系、星系团结构所需的额外引力,而暗能量推动宇宙空间加速膨胀。SKA有能力探测到可观测宇宙边缘的数十亿个星系,由此可以揭示宇宙的大尺度结构,进而准确测量出暗物质和暗能量所造成的效应。

(4)寻找外星生命和文明

SKA不但可以探测到遥远宇宙中的复杂有机化合物,比如氨基酸,而且还有能力接收到外星文明发出的无线电波。理论上,如果50光年(473万亿公里)之外的行星上有外星人用了机场雷达,SKA将能直接探测到这种外星信号。

根据德雷克方程的估计,拥有2000亿颗恒星的银河系,很可能存在成千上万个智慧文明。如果外星文明也用无线电波进行通信,或者他们也像人类一样主动向外发射信号联系其他文明,那么,SKA将有望直接探测到。虽然更高等文明可能会用其他方式进行通信,但总会经历无线电波阶段,当年他们发出的信号现在可能还在浩瀚的星际空间中传播,有待SKA去发现。

最后,虽然SKA确实非常强大,但我们的FAST也一点不差。射电望远镜的灵敏度本质上还是取决于物理口径大小,口径才是王道,单口径极其巨大的FAST拥有极高的灵敏度,其优势无法取代,这可以与SKA进行互补。