世界最大射電望眼鏡的工程設計
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射電天文學的未來發現機器——
「平方公里陣列」望遠鏡
正在有序籌備中。
即使在初冬時節，西澳大利亞州的默奇森郡也是烈日當空。這片土地道路崎嶇，遍布著低矮灌木叢，常有袋鼠出沒的痕迹，來到這裡的遊客很容易迷路。儘管如此，我還是來到這個距離海岸幾百公里遠的地方，戴著太陽帽站在這片鐵鏽色的紅土之上。我此行的目的是，參觀有史以來最雄心勃勃的望遠鏡之一的未來選址地。
在這個比荷蘭國土面積還要大的地區內，只有100多名居民。這片澳大利亞的內陸地區，在已被無線電信號淹沒的世界中顯得十分珍貴：它是一片世外桃源，也是一扇通向宇宙的明窗。回到涼爽的車內，我的一位嚮導——安東尼?斯金科（Antony Schinckel）——向我強調了這個選址的優越性。他說：「我們真是找到了世界上最棒的地方之一。」
斯金科是澳大利亞聯邦科學與研究組織的望遠鏡主管。他和同事們已在嚴峻條件的考驗下，將這片遼闊地帶的一小部分打造成了世界上最領先的射電天文學設施之一。這裡的大雨會在路上留下一道道深溝，車輛幾乎無法通行。斯金科回憶說，有一天，自己在路上遇到一個接一個的金合歡樹樹樁，結果一天下來，4個車胎全癟了。
而艱苦的工作現在開始有了回報。在過去的8年間，天文學家和工程師們把這片曾用來放牧的土地，變成了一座天文花園——默奇森射電天文台（MRO）。數十個閃閃發光的12米寬的白色碟形天線點綴著這裡的景緻，它們是為星系編目工作而量身打造的。與之相伴的還有數以千計形似蜘蛛的天線，它們形成了最先進的天線陣列，能夠捕捉到幾乎可以追溯到宇宙開端之時的電磁波。
人們利用這些不同類型的天線在默奇森射電天文台建造雙筒望遠鏡，拓展射電天文學的研究能力。這些望遠鏡則是另一個目標更加宏偉的項目的前奏，這就是「平方公里陣列」（SKA）。目前SKA的在建時間已超過25年，建成後將會是一台非常靈敏的射電望遠鏡，因為它的接收範圍相當於1平方公里多（你也可能猜到了）的面積。項目預計在21世紀30年代初完成，將囊括非洲的2000多個碟形天線，以及澳大利亞西部的約50萬個天線，屆時默奇森射電天文台現有的望遠鏡和其他設備就將相形見絀了。在這個過程中，10個成員國共500多名工程師將參與合作，SKA不僅將測試望遠鏡的設計極限，還將測試數據處理管線、國際間協作和大科學項目的基礎設施的極限。
SKA總幹事菲利浦?戴蒙德（PhilipDiamond）表示：「我們的在建規模還從來沒有人嘗試過。」而他和其他許多天文學家都認為這些努力是值得的。SKA的靈敏度、解析度和快速掃描大片天空的能力將使它能夠探索人們迫切想要了解的一些宇宙奧秘。例如，人們期待SKA可以利用氫輻射對巨量的星系進行編目，從而幫助確定不斷加速宇宙擴張的暗能量的身份。望遠鏡還將能夠測量空前數量的脈衝星，脈衝星是一種旋轉的恆星殘留物，會沿著它們的磁極發出電磁輻射。當這些宇宙信標進入黑洞密集的近軌時，它們就可被用於尋找新的物理學證據，最終或許可以讓物理學家發展出能統一量子力學和引力場的理論。
鑒於規模驚人，SKA目前正在分階段進行，從規模較小的SKA1開始建設。戴蒙德說，雖然只是SKA的一小部分，但SKA1仍然是世界上最大的射電望遠鏡。其中一部分將建在南非，另一部分將建在西澳大利亞州，這兩地將作為兩個獨立的望遠鏡進行運作，就像整個SKA一樣。SKA1在南非的部分（稱為SKA1-mid）將包括197個直徑為13.5米和15米的碟形射電天線。這些碟形天線的數據經過整合，將用於一系列研究對象，包括脈衝星和較接近銀河系的氫發出的無線電輻射。
被稱為SKA1-low的澳大利亞部分旨在捕捉低頻無線電波，包括數十億年前恆星等天體首次照亮宇宙時發出的無線電波。為了接收這些電波，望遠鏡不會使用碟形天線，而是用許多簡易的固定天線。這些固定天線在較廣的頻段內拾取信號，包括在電視和調頻頻段中恰好與某些最古老的宇宙射線頻率相吻合的頻段。要將這些天線一起聯結成一個強大的望遠鏡，將需要最先進的信號放大和信號處理手段（稍後詳述）。
在默奇森射電天文台，天文學家已在努力測試SKA天線原型。我6月份來參觀時一片天線尚未搭建完成，但已顯得滿滿當當。數十個形似小冷杉樹、約2米高的細高建築擠在一起，形成了一片凌亂的鋼鐵叢林之中。
到2024年，SKA團隊預計將安裝超過13.1萬個這樣的樹狀天線，它們分組沿著3個螺旋臂向沙漠中延伸數十公里。屆時形成的陣列並不會比測試階段更上鏡，但如果一切順利，它會得到真正令人瞠目的結果：宇宙的第一張詳細圖像，顯示著宇宙從黑暗的中性氫原子海洋變成我們今天認識的樣子——一片點綴著閃亮星星和星系的黑色海洋。
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射電天文學的標誌就是它的碟形天線。例如新墨西哥州的「甚大天線陣列」，其直徑25米的碟形天線有序地呈線性排列，它曾出現於多部影視片段中，最引人注目的是1997年的電影《超時空接觸》。
「甚大天線陣列」的碟形天線運作時更像一台光學望遠鏡，它將入射的無線電波聚焦到接收器上。但無線電頻帶很寬，在某一頻帶上運行良好的望遠鏡設計在另一個頻帶上不一定是最好的選擇。基礎物理學表明，要獲取的波長越長，就需要越大的碟形天線來保持相同的解析度。普遍認可的結果是，在超過一定波長後，人們會選擇使用能直接接收無線電波的天線。
用這種天線進行射電天文學研究並不新鮮。在20世紀30年代早期，這項技術讓卡爾?央斯基（KarlJansky）首次對來自太陽系之外的無線電波進行了探測。脈衝星就是在1967年偶然被發現的，當時人們在英國劍橋附近使用了一個偶極天線陣列，檢測到了脈衝星那如時鐘般準確的信號。
但天文學家蘭德爾?韋斯（RandallWayth）說，不知從何時開始，較長的波長（固定天線陣列的理想波長類型）在射電天文學中不那麼流行了。最近由於天文學家們希望進一步了解宇宙的過去，人們對無線電這一部分波段的興趣再次被激發了起來。而且他們現在可以很便捷地利用數字電子、信號處理和計算機技術等一系列進步來創建新一代陣列。
韋斯是澳大利亞珀斯科廷大學的副教授和西澳大利亞國際射電天文學研究中心的高級研究員，他說：「這無疑是一次復興。」這種通用的方法與相控陣雷達系統以及為5G蜂窩網路開發的天線陣列僅是曾有幾分相似，它並不止於此。
韋斯執掌著這次復興中最前沿的望遠鏡之一：默奇森寬場陣列（MWA）。作為SKA的官方「先驅」望遠鏡之一，MWA正致力於解決如何將眾多無源天線結合到這台最前沿的望遠鏡上。
同SKA1-low一樣，MWA的天線被設計用於在低頻端捕捉射電天文學所用的無線電波。SKA1-low的設計要求天線在50～350兆赫之間較為靈敏。MWA天線的探測信號範圍相對較窄，在80～300 兆赫之間。與SKA1-low的冷杉樹式的天線相比，MWA的天線看上去就讓人想起正在曬著日光浴的高膝蜘蛛。它們建在金屬網格上，金屬網格用來反射傳入的無線電波。
雖然這兩種天線的外觀不同，但MWA和SKA1-low共享著同樣的基礎方法和遠大的科學抱負：凝望著早期宇宙中一個被稱為「再電離紀元」的混沌時期。這個名字是指大約130億年前，在宇宙大爆炸後約10億年時，早期的恆星和其他物體把中性氫原子加熱到足以失去其電子的溫度，將宇宙從不透明的中性氫原子海洋變成了現在我們看起來是透明的宇宙。值得注意的是，現在還有可能檢測到那些中性氫原子發出的無線電波。電波發出的波長是21厘米，但在到達地球的時候，數十億年的宇宙膨脹會把它們的波長拉長到幾米。
MWA正在爭取成為第一台能檢測到遠古歷史中這些被拉長的回波的望遠鏡。天文學家希望對這種輻射的研究有助於揭示再電離是如何改變和塑造早期宇宙的，例如，星系這樣的結構在這個關鍵紀元時期是如何形成和變化的。「這是宇宙進化過程中的一個重要階段，人們卻一無所知。」德國加斯廷麥克斯普朗克天體物理研究所的天文學家貝尼德塔?斯亞迪（Benedetta Ciardi）如是說，他還是位於荷蘭的「低頻陣列」望遠鏡（LOFAR，MWA的競爭對手之一）的工作人員。
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為了尋找來自這個紀元的信號，實際上也就是進行任意觀測，MWA同時從各個方向接收無線電波。入射信號會通過每個蜘蛛天線中心的一對低雜訊放大器進行放大，然後被傳送到附近的「波束形成器」中。在那裡，各種長度的波導被印製到電路板上，將延遲傳遞給天線信號。在正確選擇延遲的情況下，波束形成器實際上會使陣列「傾斜」，使得來自天空特定區域的無線電波似乎是在同時到達天線——就像它們被同一個巨大天線接收時那樣。SKA1-low將整個過程數字化，沒有波導。這種方法能使其形成多個波束，就好像該陣列同時指向了天空中的多個點。
MWA的天線被分成組，來自每個組的信號被發送到一個獨立的接收器，接收器在不同頻率信道中對信號進行分類，然後通過光纖將其發送到天文台的中央大樓。在那裡，一組現場可編程門陣列和圖形處理單元將數據相關聯，把來自每個接收器的信號與其他接收器的信號相乘並隨時間積分。這個數字運算是干涉測量的核心，這一運算過程將來自多個碟形天線或普通天線的信號結合到一起創建一個強信號，就好像它們來自一台望遠鏡。
和單一的碟形天線非常相像，這種虛擬望遠鏡的物理尺寸越大，解析度越好。尤其是對由一組碟形天線或固定天線組成的虛擬望遠鏡來說，望遠鏡的最大解析度由其最長基線或一對元件之間的間距來決定。這個間距越長，解析度就越高。
天文學家利用這個特性構建了跨越大陸的虛擬望遠鏡，這樣可讓解析度精確到能對準銀河系中心超大質量黑洞周圍的區域。但大小並非唯一的考量。一對天線，無論相隔多遠，對於天體所發出的光線，都只能給出一部分信息。要創建圖像，天文學家必須充實天線陣列。更多的固定天線或碟形天線會使不同基線的組合數量猛增，然後可以通過「孔徑綜合」過程來創建望遠鏡般的圖像。因此這種陣列的成像能力取決於幾個因素，包括天線的總數、陣列的跨度以及天線間相對位置的放置細節等。
在MWA中，天文台伺服器的輸出信號通過光纖被傳送到數百公里以外，首先到達沿海城市傑拉爾頓，然後再經過400公里到達珀斯的一個超級計算中心。
MWA每天可以向珀斯的設施發送超過25 太位元組的數據。但是在未來幾年，這個數據速率將會被SKA1-low的輸出大大超越。英國曼徹斯特大學的天文學家基思?格蘭奇（Keith Grainge）表示，該陣列的13.1萬條天線每秒合計產生的數據將高於1太位元組。格蘭奇領導的SKA工作組致力於信號和數據傳輸，他說：「我們要傳輸的數據量相當於整個互聯網的1/8。」
數據到達珀斯後須經進一步處理，轉換成天文地圖和其他能為天文學家所用的科學產品。西澳大利亞大學教授安德里亞斯?維森尼克（Andreas Wicene）正在研究項目的計算需求，他表示，這是一個百萬兆級的計算問題。維森尼克估計，SKA1-low需要的超級計算機至少要和現在的世界紀錄保持者——中國的「神威?太湖之光」一樣快。唯一要解決的問題就是，這台超級計算機必須比「神威?太湖之光」便宜得多，耗電量為其1/5左右，而「神威?湖之光」進行計算時的功率可達15兆瓦。
維森尼克並不擔心。他說：「即使我們得不到這樣一台機器，我們依然能進行驚人的科學研究，只是研究項目並不像最初那樣有挑戰性而已。這是射電天文學的優勢。」他還說：「你可以輕鬆地擴大和縮小範圍，只做現在能夠承受的。幾年之後我們可以再加強。」
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SKA的成功將部分取決於確保默奇森的射電窗口儘可能清晰。蜂窩信號、電動機、電視發射器、電弧焊接以及許多其他射頻源都可能會干擾天文觀測。
該場地本身儘可能保持自己不受外界雜訊影響。「無線電靜默區」從默奇森射電天文台周圍開始向外延伸260公里左右。要在該區域操作發射器的礦業公司和其他組織，如果想要拿到新的許可證，都必須先諮詢澳大利亞聯邦科學與研究組織。IEEE高級會員、默奇森射電天文台的頻譜經理卡羅爾?威爾遜（Carol Wilson）說：「我們的目標是在70 兆赫到25.25 千兆赫頻段間保護此場地不受干擾。」她說，最近一個使用「澳大利亞平方公里陣列探路者射電望遠鏡」（ASKAP，位於MWA不遠處）的研究小組，觀測到大約50億年前的一個星系發出的信號出現略微下降，進而發現了一個氣體雲。這個下降信號處於完全能被手機頻段覆蓋的頻率範圍內。威爾遜說：「在人口較多的地區我們是不可能做到這一點的。」
默奇森射電天文台的設計人員竭盡全力讓望遠鏡和配套設備本身不再增加任何問題。天文台的中央建築（包括一個單層結構的室內車間、辦公桌、處理器機架和用於將時鐘信號傳送到望遠鏡的微波激射器）都被完全包裹在連成一片的鋼板中。這個法拉第籠設置了狹長的開口，光纖、電線和空氣可以通過，一定波段內的無線電波則無法穿越。主開口是一個雙層門的結構，就像無線電波的氣閘一樣，若有人想要進入，則必須先關上第一扇門，然後再打開另一扇門。
這種預防措施有助於保持現場極其安靜。MWA就是利用這種靜默來尋找「再電離紀元」的最初跡象的，這將顯示中性氫原子分散在空間過程中的細微變化。當SKA1-low建成後，它將能夠更詳細地映射這種轉變，讓天文學家們窺探到古代群星和星系如何帶領宇宙走出黑暗時代，並塑造成我們今天看到的宇宙。
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工人們將在2019年開工建造SKA1-low，並持續5年的時間，但在此之前，仍有一些重要的挑戰需要克服。一個工程師團隊正在使用模擬和測量相結合的方式驗證天線設計，為明年的一次關鍵審查做準備。MWA主管韋斯指出，天線可能會互相干擾，有時甚至會抵消信號而產生盲點。「現在我們正在確保完全了解能夠運行台站的電磁場波，只求不會有意外發生。」韋斯如是說，他也是澳大利亞SKA陣列設計團隊的成員之一。
但韋斯說目前大部分的技術難題已經解決。此時最大的問題是後勤保障和基礎設施，他說：「它建在茫茫荒野之中，需要有電力、通信和計時手段，還要有其他所需的一切。」
在南非，一些碟形天線可以利用當地電網的電力，但在澳大利亞，所有的電力能源都必須在現場產生。這兩個觀測站都希望將碳排放量降到最低。今年之前，默奇森射電天文台使用的是柴油發電機，而現在它有了1.6兆瓦的太陽能電池板和大量的鋰離子電池，可以儲存2.6兆瓦時的電能，這超過SKA1-low全功率運轉時所需能量的一半。一些分布在更遙遠位置的天線陣列，可能會有自己的太陽能電池板。
維護是另一項挑戰。現在MWA基本上每年都會遭到一次雷擊，可能會損壞幾套天線和一個接收器。而MWA的天線間隔都在幾公里。SKA1-low天線數量巨大，而且有2米高，從中心延伸幾十公里的距離，這些都可能會成為陣列維護人員的負擔。
還有資金的問題。目前在南非和澳大利亞建設SKA1的預算約為6.75億歐元（約合8億美元， 10億澳元），由項目的10個成員國（澳大利亞、加拿大、中國、印度、義大利、荷蘭、紐西蘭、南非、瑞典和英國）共同出資。但是這筆資金並未像天文學家們希望的那樣成為SKA1的全部費用。總幹事戴蒙德說：「雖然我們想在SKA第一階段，讓投入的1億美元能有效發揮作用，但實際上在投入未達到10億美元前，還是什麼事情都做不了。」他正在試圖招募更多的國家加入合作，以期獲取更多資金支持。
韋斯說，如果一切順利的話，SKA1-low能在望遠鏡靈敏度和其他能力方面為天文學家們帶來至少10倍的提高。「這將是一台引起轟動的望遠鏡，」他說，「我的老上司以前說過，射電天文學家一般不會為了不到1個數量級的事情起床。而在SKA項目，起床要做的事就太多了。」
作者：Rachel Courtland
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