有史以来最大的望远镜

在这个月的《裸天文学》节目中，我们将仔细观察有史以来最大的望远镜——平方公里阵列。SKA横跨多个大陆，其中一些在南非，一些在澳大利亚，但它是如何工作的呢?同样，SKA将向我们展示我们的宇宙。为了找到答案，Ben McAllister和Adam Murphy采访了SKA项目的总干事Phil Diamond。

Ben——你可能对望远镜的概念很熟悉——人类制造望远镜已经有至少几百年的历史了，并利用它们来了解我们星球以外的宇宙。

亚当——望远镜的核心是一种装置，我们可以用它来指向太空，收集来自遥远物体的光，并用它来形成遥远物体的图像

当你想到望远镜时，除非你有一些天文学背景，否则你可能会想到光学望远镜——也就是说，像伽利略使用的那样——一系列镜头和镜子，捕捉并放大从太空到达地球的可见光。

亚当——的确，光学望远镜是非常重要的科学工具，但它们绝不是唯一一种主要的望远镜。事实上，许多突破性的科学研究都是使用所谓的“射电望远镜”完成的——这是伽利略所熟悉的设备的一种近亲。

Ben - Light有多种不同的口味。产生红、绿、蓝等颜色的可见光只是广谱光中一个非常狭窄和特定的区域。

亚当:比如x射线、伽马射线、紫外线、红外线，更重要的是，无线电波

本——就像那些用来播放《裸体科学家》等优秀节目的电视一样金宝搏app最新下载

亚当:是啊!这些不同种类的辐射都是不同种类的光，在所谓的电磁波谱的不同点上。

本:你可以把它想象成一大堆其他的颜色，就像红色、绿色和蓝色，但它们在光谱的错误部分，我们的眼睛无法检测到，因为我们的眼睛进化到可以检测到太阳发出的各种光。但是，请放心，其他类型的光都是一样的。

亚当:我们把不同类型的光称为“波长”。在太空中，我们感兴趣的很多东西都不发射光谱可见部分的光——它们发射不同波长的光。

特别是，许多有趣的天体以无线电波的形式发射光——这就把我们带到了射电望远镜。

亚当:我们无法用眼睛或光学望远镜看到太空中大量氢气云发出的无线电波，它只是通过而不被发现。相反，我们需要一种特殊设计的望远镜来探测无线电波。

射电望远镜通常看起来就像一个放在碟形天线里的大天线——如果你曾经在你的房子里装过卫星碟形天线，或者看到过一个广播电台塔，你就会明白了。碟形结构将无线电波反射到天线上，在那里它们可以被探测到并转换成图像。
亚当:当然，因为我们看不到频谱的无线电部分，我们需要用不同的方式来观察数据，测量从给定方向到达天线的给定波长的光量。我们还可以使用智能数据处理来生成我们能用眼睛看懂的图像——如果我们能用视网膜探测到无线电波，我们可能会看到这些图像。

射电望远镜打开我们的眼睛，让我们看到来自太空的各种不同颜色的光，而不仅仅是我们习惯的光。

亚当:我们从20世纪30年代就开始建造射电望远镜，它们在天文学历史上的一些重大发现中发挥了重要作用。

本:是射电望远镜使我们能够探测到宇宙微波背景——宇宙黎明时遗留下来的辐射，其波长太长，光学望远镜无法探测到。

亚当-射电望远镜也是我们对宇宙中许多大型结构进行观测的原因。我们之前提到过氢气云——这很重要，因为氢是宇宙中最丰富的元素，任何有大量物质的地方——比如在星系里——都可能有大量的氢。这意味着，通过寻找氢，我们可以了解很多关于大型、重型结构的信息。

事实证明，氢气有一种自然的、特有的波长，它发出的光——著名的21厘米氢线。

亚当:这种特殊的波长正好在射电望远镜可以探测到的范围内，这意味着我们可以用它们来寻找这种特征辐射，找出哪里有大量的氢气，并更多地了解像星系这样的大物体的结构。

本:事实上，正是对氢气的无线电观测让我们能够测量像我们这样的星系的旋转方式。这项在60年代和70年代进行的工作，让我们发现了当今宇宙中最大的谜团之一:在我们银河系和大多数星系中⅚的所有物质中，实际上是一种神秘的、看不见的物质，叫做暗物质——这个话题我们肯定会在以后的节目中讨论。

亚当:最近，你可能听说过2019年的事件视界望远镜，它产生了有史以来第一张黑洞的图像。你猜对了——事件视界是一个射电望远镜网络。

本事件视界是射电望远镜的一个很好的例子。射电望远镜的功率随着它收集无线电波的区域的物理大小而增加，但在一定程度上，将射电望远镜做得更大变得不切实际。它们的规模是有限的。然而，如果你很聪明，你实际上不需要做一个非常大的盘子——你可以把来自分布在全球各地的小盘子的信号组合在一起，就像事件视界望远镜一样。

亚当:你所有盘子的总收集面积越高越好。但有趣的是，让你的盘子间隔在一个更大的区域上——天文学家称之为更长的“基线”——也能带来更强大的成像能力。

本-利用一种被称为干涉测量法的聪明的数据分析技术，科学家们可以将彼此相距很远的射电望远镜发出的信号结合起来，与在一个地方安装一个大天线相比，这样可以提高图像的分辨率。

Adam -然而，同步和处理来自大型分布式天线网络的所有数据可能会带来巨大的工程和计算挑战。

本:几十年来，我们一直在建造越来越大、越来越分散的望远镜——越来越强大，对宇宙的了解也越来越多。

亚当:所有这些进步导致了一种不可思议的设备正在开发中——平方公里阵列。

本- SKA将是人类有史以来开发的最大、最强大的望远镜。这将是一项真正惊人的、令人费解的科技成就。

Adam -最初是在90年代提出的，从那时起，SKA将由成千上万的接收器组成，分布在多个国家。这是一项国际合作，旨在建造有史以来最灵敏的科学仪器之一。

这绝对是一项正在进行中的工作，但科学家们相信我们会在这个十年的某个时候到达那里，当我们到达那里时，我们将能够看到我们从未见过的宇宙。

亚当:现在我们知道了一些射电天文学和SKA的基础知识，我们准备好更深入地了解它了——它离我们有多远，它到底是什么样子的?

但是不要只听我们的废话，我们很幸运能和地球上最有资格的人之一聊天。

亚当-菲尔·戴蒙德是SKA项目的总干事，他有很多有趣的事情要说。

菲尔-所以地点已经选定了。这两个望远镜的位置早在2012年就选定了。在这两个国家的这些地点，国家射电天文团体，已经建造了我们所说的前驱射电望远镜。在南非，他们建造了MeerKAT，有64个盘子，现在已经投入使用了。在澳大利亚。国家研究机构CSIRO建立了ASKAP。澳大利亚SKA探路者号。这是36个12米高的天线，在焦点处有非常创新的无线电摄像机。然后一个由珀斯科廷大学领导的国际大学联盟，建造了默奇森宽场阵列，这是一个低频望远镜的先驱。所以这些项目所做的，以及建造望远镜进行科学研究，是他们有效地建立了处女点。 There was nothing on these sites before these telescopes arrived.

本:好的。我们已经讨论过SKA了，它是一个大型的射电望远镜，它是分布的。它到底是什么样子的?比如SKA的一部分是什么样的?

菲尔:在南非，我们称之为SKA-mid，我们将为这些东西取更吸引人的名字。

首字母缩略词非常重要!

菲尔-但目前我们称它们为SKA-mid和SKA-low。这是因为SKA-mid，将在射电天文学的中频范围内工作。它将包括197道菜。每个碗的直径约为15米。它们是大单盘。洛弗尔望远镜(Lovell Telescope)的直径为76米，我现在就可以从办公室的窗户看到它，但建造一个76米长的天线阵列太昂贵了。而建造一个直径达数公里的巨型单一天线在技术上具有挑战性，甚至是不可能的。我们正在做的是建造一系列较小的天线，其中197个在南非，它们都通过光纤连接，回到一个中心，我们称之为相关器，但这是一个特殊用途的计算机，它有很多数字硬件。这就是SKA-mid的样子。SKA-low的工作频率要低得多，在50到350兆赫之间，比如包括FM无线电频段，它将采用不同的技术，因为天线在低频下工作得不太好。 We are reverting then there to an older technology, although much evolved, much improved. There they are what we call log periodic dipole antennas. So they're like two metre tall, almost Christmas tree-like antennas. They are cousins, evolved cousins of the old TV antennas we used to have on the side of our houses before, you know, Sky satellite dishes appeared. So we'll have almost 132,000 of these low-frequency antennas, spread across the Western Australian desert. It's actually 131,072 of them.

本:那些科技，看起来应该是我们能认出来的东西，对吧?在澳大利亚，就像你说的，我们有一些东西看起来像老式的电视天线，而在南非，我想有些人可能会有一些看起来更现代的卫星天线。

菲尔:完全正确。你知道的，这些金属装置很熟悉。它的规模是不同的，与以往任何建筑都大不相同。我们将建造更多这样的东西，但真正创新的部分，最具挑战性的部分，是数字信号处理，以及处理这些机器将产生的海量数据的软件。举个例子，从这些周期性偶极天线中，所有天线产生的原始数据大约是全球互联网流量的六倍。所以它是每秒2拍比特的数量级，大约是全球互联网数据流速率的六倍。

本:当然，因为他们一直在收购。

菲尔-我们一直在获取这些数据。当然，现在所有的数据都是一种格式。在我们的网络上。我们立即对其进行第一级数字信号处理，以减少数据量，并将其发送给相关器。所以我们控制着它的方方面面。这不是全球互联网在一个非常受控制的环境中混乱的本质。

本——任何在互联网上长大的人都可以证明这种混乱!

亚当-没错，就是混乱!

Phil -但是它处理的是这么大的数据量。我认为这是挑战之一。

本:所以你有了所有这些指向天空的天线和天线，不断地接收来自太空的无线电波，然后我们可以用它来做天文学。你说数据量大得离谱。你从这些无线电波中得到什么样的图像?

Phil:有几种不同的数据处理方式。所以天空的无线电图像是一个，因为数据量大，软件需要修改，升级，才能在现代超级计算机上工作。我们将制作天空的无线电图像。所以我们可以将这些无线电图像与哈勃太空望远镜的图像叠加在一起。我们要处理的另一种类型的数据被称为时间序列。从每一个天线，从每一个，我们称之为基线的，它们之间的连接。我们会得到这些时间序列的数据。这是天文学家用来寻找天空中特定类型物体的另一种方法，比如脉冲星。脉冲星是超新星爆炸后恒星的旋转残骸。它们发射出类似灯塔的无线电发射束。 They're nature's clocks, superb clocks in the sky, and the way those data are received and processed is through taking the time series of data and looking for the time signals that emerge from that data. Pulsar astronomers can measure those times incredibly accurately. And there's all sorts of fundamental physics that emerges from pulsar astronomy. Similarly, there's these fast radio bursts, which are a relatively new object of which we know very little. SKA will be finding hundreds, thousands of these things. So hopefully we'll be able to understand the nature of these, but they are incredibly short, you know, millisecond bursts of very powerful radio signal from somewhere in the sky. We don't actually know what the objects are that emit these things yet. There are various theories, but none are yet pinned down. But actually what all this demonstrates is that we are not fixed on the form of object that we will see in the particular types of data. So we have deliberately designed the SKA to be an exploration machine as well.

亚当:所以你提到了SKA会关注的一些事情，但是我想，有没有什么事情，比如任务宣言，有没有什么事情是你一开始会特别关注的，或者是你特别感兴趣的?

请允许我说一下SKA的科学案例……在这里。

本-哈哈哈!对于音频听众来说，菲尔刚刚拿起了两本非常厚的书，每本都有两本百科全书那么大。

菲尔-是的。实际上，它们加起来有9.8公斤重。

亚当:哦，那是很好的锻炼。是的。

菲尔-是的。所以这是2000页描述了天文学家希望用SKA做的科学，但在那里，我们已经确定了我们所谓的关键科学项目。因此，SKA必须能够提供这些关键的科学项目，以及其他巨大的范围。但至少，它必须能够完成关键的科学项目。一种是利用脉冲星，利用脉冲星来了解引力波的本质。几年前，激光干涉仪引力波天文台LIGO探测到来自大质量物体的引力波合并，并在宇宙中发射引力波。这是一种探测引力波的方法，另一种探测引力波的方法来自更重的物体，星系中心的超大质量黑洞，是通过观察引力波对脉冲星的影响这些脉冲星横跨银河系，横跨我们的星系。我们将使用SKA来监测脉冲星网络发出的信号。这些钟非常精确。大自然的时钟会记住，分布在天空中。 And as a gravitational wave crosses our galaxy, it will perturb the clock signals and we'll be able to detect that perturbation, and therefore measure the gravitational wave.

就像一个银河系范围的引力波天文台，而不是一个几公里长的隧道?

菲尔-是的。它把星系当作望远镜，当作探测器，这让我觉得很震撼。另一个关键领域是使用氢气。所以有了SKA，我们从50兆赫一直到15千兆赫的原因之一，就是能够有完整的频率范围，可以一直探测到氢，几乎可以追溯到宇宙的黎明。所以我们想看看宇宙早期发生了什么。当宇宙开始变得对辐射透明时，观察第一批恒星，第一批星系一直进化到今天。所以本质上，我们就像一台时光机。

本:因为氢在宇宙中无处不在，所以它是非常丰富的吗?能够看到特征，只有氢发出的辐射，让你看到很多有趣的结构。因为早期宇宙中氢的信号仍然在宇宙中传播，它们只是改变了一点，我们仍然可以看到这些早期的信号并重建早期宇宙中发生的事情?

菲尔-不，完全正确。我们早期宇宙的图像来自一些项目，比如几年前结束的欧洲航天局任务普朗克(Planck)或它的前身。这些卫星拍摄了大约40万年前宇宙的快照。记住，它现在已经有140亿年的历史了。所以我们有了这些快照，从这些快照中我们获得了大量的物理知识，从宇宙的婴儿时期，作为一个孩子，真的。我们想用氢气做什么，就像你说的，氢气无处不在，就是拍一部宇宙的电影，从它的童年，成长到青春期，到我们现在生活的成熟的宇宙。观察这段时间的能力，会带来一些奇妙的事情。

本，我迫不及待想看看我们能学到什么。

这只是2000页科学案例中包含的两个关键科学项目，还有更多。我们将尝试理解宇宙中磁性的基本性质。再一次，这是射电天文学研究的最好方法。我们将寻找生物分子的特征，这可能是地球上生命的起源，因此也可能是宇宙中其他地方的生命。还有很多其他的事情。

本:为什么叫平方公里阵?听起来它比一平方公里大得多。

菲尔:望远镜的物理范围要大得多。在南非，这197道菜将会传播150公里。在西澳大利亚，偶极天线的站点分布在65公里的范围内，但是在碟形天线和天线之间，有很多间隙，很多空间。从某种意义上说，平方公里现在是一个不恰当的名称。我们正在设计和建造的是项目的第一阶段。在这种情况下，碟形天线和天线的总面积将接近一平方公里。这是我们最初的目标，也是我们现在的愿望，就是建立完整的SKA。因此，我们目前正在建设的东西是沿着这条道路迈出的一步。就像我说的，这有点用词不当，但它确实反映了我们未来的雄心壮志，如果你把每个单独的盘子的表面积加起来，它们在天线上是相等的，这是天线的数学概念。有了完整的SKA，它应该接近一平方公里。

亚当-如果你有很多天线，就放在地上。这就是接收所有射入的无线电波。你是怎么确定的，你知道，好吧，这一点无线电波来自这一片天空?

菲尔-把这个盘子想象成无线电版的眼睛。用你的眼睛，当你看向某个方向时，你不一定能看到旁边的东西。你知道，你有周边视力。你看不见身后的东西，也看不见左边或右边的东西。所以，你知道，你的眼睛有一个有效的光束，它可以看到。当然，你知道，你会转动你的头去看其他的东西，这和我们处理盘子的方式完全相似。这些盘子，它们有一个光束形状，大约相当于满月的大小。事实上，甚至更大。为了指向天空的不同区域，我们把所有的天线都指向那个方向。这给了我们现在看到的视野，是单个盘子的光束。 But then to see the detail within that dish, that's where we rely on the array, the interferometric nature of the SKA, because we'll have individual dishes separated by up to 150 kilometres. And combining the signals from those dishes, synthesises, another beam, which is much, much smaller because of the separation of the dishes. And so that acts like a zoom lens within the field of view. So we can see very fine detail on the many thousands, hundreds of thousands, millions of objects within the field of view. And that's how we build up the radio picture of the sky. The low frequency antennas are somewhat different. Each individual antenna effectively sees the whole sky all the time. But what we do is electronically create beans from the individual stations, and steer them around the sky, according to the object the astronomers want to look at. With those antennas, we can have multiple beams operating, pointing in different directions at the same time. Because it really just depends upon the software and the digital electronics in the backend. So they might look like simple Christmas tree antennas sitting in the desert there, but there are very sophisticated systems behind them.

Ben:那么大致说来，这是怎么运作的呢?我的意思是，如果你有来自四面八方的无线电波在任何时候都打到天线上，你怎么知道算法或数字信号处理，哪一部分的无线电波是相关的?

菲尔:会发生的情况是，一个天文学家，或者更有可能是一个大的天文学家团队，会提出一项建议，要做一个特定的项目，你知道，要长时间观察天空的一个特定区域，得到一个非常深的图像，或者观察整个天空，得到一个不那么深的图像。但是对天空的调查，不管是什么，他们都会提出一个建议。这要经过一个选择过程，科学将与其他提案的科学进行比较。如果它被选中了，它就会在望远镜上得到时间。然后，SKA团队将翻译天文学家的指示，在不同的时间将望远镜指向不同的地方。我们会得到数据。在过去，我们有所谓的水银延迟线，它实际上是装满水银的管子，实际上是经过调整的，但是每对天线，它们都有效地将波束向天空的特定部分加权。我们现在在数字电子产品中就是这样做的。

本:所以这就像在一个天线到另一个天线之间增加延迟或其他东西，从而产生这种人造波束形状。

菲尔:没错。

本:好的。这和你刚才说的天线的干涉性质有关吗，就距离而言，让天线越来越远，通过巧妙地结合信号，你可以在天空中获得更精确的分辨率?

菲尔:是的，完全正确。我的类比是一个变焦镜头，一个大圆盘是一个广角镜头。具有广泛分离碟形的干涉仪是一个变焦镜头，可以让你在天空中获得精细的细节

本，我不想让你做任何事。但是粗略地说，你认为什么时候我们才能启动SKA的第一阶段?

菲尔-我们正要把SKA天文台建成一个活生生的实体。这是2019年3月签署的一项条约。该条约已得到必要数量的国家的批准。我们正在进行最后的管理阶段。在几周内，我们应该宣布天文台的成立，它是我们现有组织的继承者。所以每个人，所有的工作人员都将转移到天文台，就像ESO或CERN。这是一个政府间组织，SKA天文台的管理委员会，有来自参与国的成员，我希望能允许我们在2021年年中开始建设活动。我们的目标日期实际上是明年7月1日。

本:那太令人兴奋了。

菲尔:是啊，毕竟我们花了这么多年的时间开发和设计。这太令人兴奋了。因此，如果我们在7月1日开始向工业界招标的建设活动，我希望我们能在两年后看到地面上的第一批硬件，第一次对地面上的真正硬件进行测试。早期科学，也就是在2025年左右调试两个望远镜的重要部分的科学模式，2027年和2028年完成建设。

Ben:最后这个问题比我想的要复杂得多，不过我很快就讲完。假设是2028年，我们有了SKA，我们正在做各种不可思议的科学研究。我们花了一点时间使用这个不可思议的工具，我们学到了很多惊人的东西。让我们推测一下。假设你有一个更高的概念，更有野心。在你的想法中，未来的望远镜将超越SKA，它将依赖什么样的技术?

嗯，我已经提到了完整的SKA，第二阶段的扩展横跨南部非洲和西澳大利亚，最终天文学家考虑的是月球的阴暗面，那里有望远镜。这确实需要无限的预算。

本:是的，当然。

菲尔:所以把东西放在那里，几乎可以肯定是机器人技术来部署和操作这些东西，在月球背面黑暗的地方做一个三年的博士后可能会很有趣。

听起来很有趣。

听起来很有趣，但是，这可能是我目前能想象到的极限了。你也可以想象自由漂浮的射电望远镜，你知道，在太空中有几十万公里的基线，但这是更多的技术挑战。我认为它们是为下一代准备的。