SKA射電望遠鏡是什麼,它能給人類探索宇宙提供什麼“便捷”?

SKA是,短波射電望遠鏡陣列。它不是一個單一的大口徑望遠鏡,而是由數千個更小的探測裝置組成的一個巨大的訊號採集面。這些天線將分佈在多個區域,並將其檢測結果進行彙總,得到觀測影象。由於其高解析度和大視場,SKA涵蓋了天文學的所有主要課題,包括恆星和星系的演化、類星體、脈衝星、超新星爆炸、外星生命、暗物質和暗能量。

SKA射電望遠鏡是什麼,它能給人類探索宇宙提供什麼“便捷”?

毫無疑問,SKA將成為地球上另一個科學奇蹟。人們關心的是,這個巨大的“天眼”將放在哪裡?在最新訊息中,SKA宣佈專案的大部分,即三分之二的天線將在南非建造,而一些將在澳大利亞和紐西蘭建造。建成後,SKA將成為世界上最大的射電望遠鏡。

開啟射電視窗

SKA射電望遠鏡是什麼,它能給人類探索宇宙提供什麼“便捷”?

自從人類用望遠鏡觀察宇宙以來,他們在可見光的指引下認識宇宙已有一段時間。無論是恆星、行星、星雲、星團還是星系,只要有可見光,我們就會找到它們並認識它們。後來,紅外線、紫外線、X射線和伽馬射線逐漸被用來觀察宇宙,包括無線電波。所以今天的天文學是全波段天文學。全波段天文學中一個重要的“視窗”是無線電波,它被稱為“射電視窗”。這扇窗戶的開啟是人類認識宇宙的一件大事。它創造了一種新的射電天文學,為人類展示了一幅完全不同的宇宙圖景。然而,這不是天文學家,而是美國貝爾實驗室的電氣工程師詹斯基。

1931年,詹斯基在研究雷暴天氣如何幹擾通訊訊號時,發現了一個可能來自宇宙中遙遠天體的干擾源。詹斯基的天線裝置非常簡單,但它探測天體的無線電訊號,因此它成為世界上第一個用無線電波觀測宇宙的天文裝置——射電望遠鏡。

天體是否有無線電輻射在當時是個問題,因為沒有人認為它們會發射出強大的無線電波。許多人對詹斯基的發現持懷疑態度。然而,另一位美國無線電工程師雷伯堅信這一發現是真的。他還在後院安裝了天線。用這個天線,他證實了這個發現。這種天線的主體是直徑約9米的金屬拋物面。有點像模型。可以說,這是第一臺用於天文觀測的射電望遠鏡。射電望遠鏡的成像過程比光學望遠鏡複雜。它對接收到的資料進行連續記錄,然後對資料進行處理,得到觀測天空區域的影象。

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80多年後的今天,射電望遠鏡發生了巨大的變化。為了不斷提高射電望遠鏡的解析度,除了增大射電望遠鏡的孔徑外,還發明瞭許多關鍵技術,包括射電干涉儀、甚長基線干涉儀和“合成孔徑”系統。利用這些技術,人們可以透過建立射電望遠鏡陣列來提高解析度,並將來自多個地方的射電望遠鏡連線起來,形成一個巨大的虛擬望遠鏡。這種組合使得射電望遠鏡具有不可思議的觀測能力。

1993年,包括中國在內的10個國家的天文學家共同提議建造一個由3000臺射電望遠鏡組成的巨型射電望遠鏡陣列。其中一半位於中心區域直徑5公里的範圍內,其餘部分則從中心向外延伸,像一個從“旋臂”向外延伸的螺旋星系。這是一個由射電望遠鏡組成的網路,每一個望遠鏡都由一根光纜連線,一臺超級計算機將接收到的資料進行同步,以顯示天體的細節。因為它的接收面積是一平方公里,所以被稱為“平方公里陣列”(Square Kilometer Array),簡稱(SKA)。

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揭開類星體之謎

毫無疑問,SKA是人類雄心勃勃的科學專案,象徵著人類射電天文學的輝煌未來,但我們能從中看到什麼呢?為什麼我們需要這麼大的裝置?它將如何改變我們對宇宙的理解?要回答這些問題,我們首先要知道以前的射電天文學給我們展示了什麼樣的宇宙圖景。

隨著射電望遠鏡的出現,天文學家發現了越來越多的具有射電輻射的物體,這些物體被稱為射電源。有些放射源很奇怪。它們看起來像星星,但它們不是星星。他們離我們很遠,而且離我們也很快。它們離我們很遠,我們可以探測到它們,這表明它們有很高的能量。它們是什麼?為什麼它如此明亮和活躍?天文學家暫時找不到答案,所以他們把這個奇怪的物體叫做類星體。

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類星體是我們今天對類星體的一個更清晰的認識。大多數天文學家都認為類星體是活躍星系中不可思議的核心。所謂的活動星系是相對於正常星系而言的。我們的星系是一個正常的星系。這種星系非常常見,佔所有觀測星系的98%。它們的活動變得平靜,而活躍星系則有大規模的劇烈活動。天文學家已經發現,活躍星系的核其實很小,但它們的光度太大,甚至看不見。

為什麼活躍星系的核這麼亮?目前的解釋是,活動星系中隱藏著一個高速旋轉的“超大質量黑洞”。正是這個黑洞給了活躍星系一個非常高的亮度。由於黑洞的存在,黑洞周圍的氣體和塵埃落在黑洞的中心,導致活動星系中心的物質密度、高溫和能量。當物質密度達到一定程度,溫度也上升到一定程度時,這些緻密的物質就會找到一個逃生出口,於是兩股高能噴射離子流從黑洞的兩端噴射到太空中。透過這種方式,類星體被黑洞點燃,它們變得非常明亮。因此,類星體只是被黑洞點燃的活躍星系。

SKA射電望遠鏡是什麼,它能給人類探索宇宙提供什麼“便捷”?

類星體是射電天文學的一個重要發現,它揭示了星系的發展,因為類星體實際上是正常星系的雛形,代表了星系生命中最動盪的“綠色”年。然而,射電天文學所做的還不止這些,因為它還發現了射電脈衝星。

發現脈衝星

在發現脈衝星之前,一些科學家曾預言存在一顆完全由中子組成的稠密恆星——中子星。根據計算,中子星的密度驚人,直徑只有幾十公里,但質量比太陽大。

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真的有這樣一顆天體嗎?人們沒有答案。直到20世紀60年代末,由於大型射電望遠鏡的出現,人們終於發現了幾個神秘的射電源,它們都有奇怪的快脈衝輻射,因此被稱為脈衝星。其中最著名的是蟹狀星雲中的脈衝星,它的週期為0。033秒。

科學家們最終得出了這個預言,那就是中子星。原來,當一顆質量相當大的恆星爆炸時,由於反作用力,其中心部分被向內壓縮,由此形成的壓力大到足以使電子失去電學性質而變成中子,於是中子星誕生了。中子星越小,其速度越快,同時釋放出大量能量。它的磁軸往往與自轉軸有一定的夾角,因此當以磁軸為中心的輻射錐掃過地球時,地球上的射電望遠鏡可以接收到脈衝訊號。蟹狀星雲中中子星的脈衝週期為0。033秒,表明中子星以每秒30周的速度旋轉。

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研究表明蟹狀星雲中的中子星是超新星爆炸的產物。當時,一顆恆星坍縮成超新星,蟹狀星雲是超新星爆炸的殘餘,中子星是恆星坍縮留下的核心。這樣,射電天文學中脈衝星的發現和研究證實了中子星預測的正確性,也將恆星的演化過程展現在人們面前。

探尋宇宙“黑暗時期”

類星體和脈衝星的發現是繼60年代射電天文學迅速發展之後的一項重大成就,另外兩項重要成就是發現了宇宙大爆炸的微波背景輻射和星際分子,特別是星際有機分子,這為解釋宇宙生命起源提供了一個新的視角。

SKA射電望遠鏡是什麼,它能給人類探索宇宙提供什麼“便捷”?

現在,讓我們來看看我們觀察宇宙的歷史,就像倒轉的膠片。一開始,我們看到了現在的宇宙,有明亮的恆星、星團、星系和星雲,還有被它們照亮的行星和衛星。再往前看,我們可以看到它們的演化:超新星爆炸、星系碰撞和合並,它們為我們提供了各種波長的驚人壯觀景象。我們也能看到伽馬射線爆發像煙花一樣照亮了遙遠的宇宙。這是早期宇宙中恆星碰撞或爆炸的結果。至於100億年後穿越宇宙的恆星,它們更遙遠。當然,我們也看到了類星體、脈衝星和黑洞。到目前為止,我們看到了一個充滿光的宇宙。但再往前看,當我們的視野擴充套件到130億年前,我們的宇宙突然倒退到一個“黑暗時期”。當時宇宙中沒有發光物體,唯一的“光源”就是逐漸冷卻的宇宙微波背景輻射。

SKA射電望遠鏡是什麼,它能給人類探索宇宙提供什麼“便捷”?

天文學家推測,在宇宙的“暗期”,由於引力的不穩定性,宇宙中會出現一些“暗暈”,即暗物質的團簇。暗暈吸收普通物質,並開始形成恆星和星系。它們在星系的形成和發展中起著重要的作用。正是暗物質的引力引發了宇宙中第一代發光物體的誕生,以及最早的恆星和星系。

宇宙“暗期”的研究是現代天文學的一個重要課題。這也是人們對SKA寄予厚望的原因,因為SKA的觀測靈敏度是地球上任何射電望遠鏡陣列的50倍,解析度是後者的100倍,掃描太空的速度比這個領域最好的望遠鏡快1萬倍。天文學家認為SKA將是一臺史無前例的“時間機器”,它可以把我們帶到宇宙大爆炸後的早期宇宙,使我們能夠研究宇宙在暗期的狀態,包括暗物質、暗能量等現代物理學和現代天文學的重要課題。

為黑洞“留影”

SKA還將用於研究黑洞,這是現代物理學和天文學的另一個“熱點”。黑洞的概念最早起源於愛因斯坦的廣義相對論。在隨後的幾十年裡,進行了大量的觀測和驗證。拍攝出了距離地球5500萬光年的M87*黑洞的照片。

SKA射電望遠鏡是什麼,它能給人類探索宇宙提供什麼“便捷”?

然而現在幾乎可以肯定,銀河系的中心也隱藏著一個神秘的超大質量黑洞,它的質量是太陽的400萬倍,大概距離地球26000光年。科學家發現,靠近銀河系中心的恆星運動速度非常快,這被認為是超大質量黑洞存在的有力證據,因為這些恆星的“反常”行為是由黑洞的引力引起的。

但是黑洞不發光,那麼望遠鏡是如何給它們拍照呢?由於黑洞周圍的旋轉和下落物質流,它們以極高的溫度和能量落入黑洞,因此可以用射電望遠鏡探測到它們。有了這些能量資料,科學家們就能夠勾勒出黑洞的外部輪廓,也就是黑洞的“積吸盤”。從而拍攝出黑洞的照片,第一張黑洞的照片大概經過5個夜晚的觀測,產生了4PB的資料,經過兩年多的後續工作,在2019年4月10日21點整召開的全球新聞釋出會釋出了黑洞照片。

“小綠人”,你在哪裡?

射電電脈衝星被發現時還有另一個插曲。起初,面對神秘的無線電脈衝訊號,科學家們首先想到的不是中子星,而是外星人的綽號“小綠人”。這個猜想被推翻的原因是他們發現了另外三個發射脈衝訊號的無線電源。顯然,四個地方的“小綠人”在同一頻段內同時向地球傳送訊號是不會發生的。

SKA射電望遠鏡是什麼,它能給人類探索宇宙提供什麼“便捷”?

但是,“小綠人”的假設是不合理的嗎?都不是。隨著人類對宇宙認識的不斷加深,人們越來越覺得宇宙中除了人類之外,沒有其他的智慧生命。一方面,人們意識到宇宙是如此浩瀚,沒有理由認為只有太陽系才能孕育出地球這樣的生命行星,而其他地方卻不能;另一方面,人們發現,生命在宇宙中非常普遍,它們具有很強的適應性,可以在許多地方生長繁殖我們甚至無法想象。如果在我們的地球上,生命可以從低階進化到高階,然後進化出智慧生命,創造地球文明,為什麼其他星球上就不能發生同樣的事情呢?

這就是為什麼許多科學家堅信“外星人”的存在並堅持不懈地尋找他們。他們還認為,在浩瀚宇宙中尋找智慧生命的最佳途徑就是利用無線電波,因為無線電波以光速傳播,具有高效率、高速度、低成本和實際可行性。1960年,著名的“奧茲瑪計劃”正式啟動。它開啟了人類利用射電望遠鏡尋找地外文明的新篇章,也標誌著“SETI”活動的開始。這是人類第一次有目的、有系統地實施尋找“外星人”的計劃。天文學家們使用位於西弗吉尼亞州的格林班克射電望遠鏡來搜尋來自太空的無線電訊號,並試圖從這些訊號中找到具有獨特生物學特性的資訊。他們還利用阿雷西博射電望遠鏡(直徑305米)向銀河系球狀星團M13發射了一個專門針對外星人的電波。釋出的內容是一系列數字,它們構成了由1和0組成的程式碼圖。

SKA射電望遠鏡是什麼,它能給人類探索宇宙提供什麼“便捷”?

它的含義包括氫、碳、氮、氧、磷等元素的原子序數,人類DNA的結構,人類的形狀和高度,以及地球在太陽系中的位置。M13包含數十萬顆恆星,距離地球25100光年,因此這條“電報”將在宇宙中傳播約25000年才能到達目的地。如果“外星人”收到這封“電報”並回復,我們還需要2。5萬年才能收到。

我們還不能證明宇宙中的任何無線電訊號都是由地球外的智慧生物發出的。我們在宇宙中真的孤獨嗎?或者我們錯過了什麼?為了解開這一謎團,我們需要更強大的射電望遠鏡,而SKA有望對此做些什麼。SKA擁有足夠的靈敏度,能夠比以往的望遠鏡更好地分辨人造的無線電訊號,所以也許SKA可以告訴我們宇宙中是否真的有“小綠人”,從而解開困擾人類多年的未解之謎。

SKA的“中國元素”

SKA是一個有20個參與國的國際合作專案。我國是這一專案的發起者和參與者。今後,中國科學家將繼續在這個專案中發揮作用。根據計劃,SKA300射電望遠鏡一期工程以於2019年投入使用。預計整個專案將於2025年左右建成,2035年底前全部投入使用。

追求真理是人類最寶貴的品質。壯麗的“平方公里(射電望遠鏡)陣列”是新千年人類求知慾和探索精神的象徵。它最大的價值在於,雖然我們的生命短暫,但我們可以知道130多億年前發生了什麼,這樣我們就可以思考自然的真相,萬物的真相,宇宙的起源,這樣我們就可以瞭解一切是如何開始的。這就是我們需要ska的原因。

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