“世界巨眼”SKA迎来历史性时刻

　　

　　3月12日，国际大科学工程——平方公里阵射电望远镜（Square Kilometre Array, SKA）计划迎来重要里程碑。来自超过15个国家的部长、大使、高级代表齐聚罗马，共同见证了国际SKA组织天文台公约签字仪式。澳大利亚、中国、意大利、荷兰、葡萄牙、南非、英国共七国政府签署了SKA天文台公约，中国科技部副部长张建国代表我国签署了公约。

　　公约的签署标志国际SKA组织正式开启向政府间国际组织（IGO）过渡的进程，SKA组织将成为继欧洲南方天文台之后，世界上第二个以天文学研究为目标的政府间国际组织。包括中国在内的7个首批签约国将成为SKA政府间国际组织的创始成员国。

　　SKA是什么？

　　SKA是我国目前参加的继国际热核聚变实验（ITER）（即俗称的“人造太阳”计划）之后第二大国际大科学工程，也是我国参加的首个全程参与并扮演重要角色的国际大科学工程。

　　SKA分别建在南非和澳大利亚，英国是SKA的永久总部国。目前国际SKA组织的成员国包括：澳大利亚、加拿大、中国、法国等13国。

　　SKA将成为人类在地球上建造的迄今规模最大的一套科学设施。它是由2500面15米口径的碟型天线、及超过一百万个低频天线等单元组成的阵列式射电望远镜，分布在3000公里的范围内。SKA是集大视场、高灵敏度、高空间分辨率、高巡天速度、宽频段范围等诸多卓越性能于一身的革命性设备，其频率范围从50MHz到20GHz以上，空间分辨率可高出哈勃空间望远镜两个数量级，达毫角秒级。SKA同时也将是一套世界最先进的IT系统，它睁开巨眼看宇宙时，“一网打尽”的宇宙信息量如此之大，以致其每秒产生的数据量，比当今全球英特网的数据流量总和还要高。

图：SKA第一阶段的望远镜示意图，包括由近200面碟型天线组成的中频阵，及由13万个低频天线组成的低频阵（来源：国际SKA组织）

　　SKA将分阶段建设。第一阶段建设约10%的SKA，预计2020年底开工建设，2027年左右完工。剩余的望远镜单元将在第二阶段建设，全部建成在2030年以后。SKA第一阶段建成后，将具备约10%的SKA能力，但即便以这不足一成的功力，SKA就足够称霸世界了。SKA第一阶段的建设和运行费总计估价约16亿欧元。

　　SKA将与詹姆斯韦伯空间望远镜、下一代巨型光学望远镜、欧洲核子中心的强子对撞机LHC、引力波天文台LIGO、及热核聚变实验ITER等一起成为人类21世纪进行物理学重大发现的神器。

　　SKA的科学目标

　　SKA的科学目标涵盖广泛，包括：（1）揭示宇宙137亿年历史中的头1亿年，宇宙是如何被第一批星星点亮的，即宇宙如何从黑暗走向黎明的第一缕光问题（2）利用脉冲星检验强场下的引力，及检验爱因斯坦广义相对论（3）利用脉冲星计时阵直接探测超大质量双黑洞产生的引力波（4）宇宙磁场探测（5）宇宙大尺度结构及暗能量、暗物质（6）星系形成与演化（7）宇宙中生命的起源（8）地外文明（9）宇宙快速射电暴之谜（10）完全未知的东西，即所谓“unknown unknowns”，等等。

图：SKA碟型天线阵的空中鸟瞰图（效果图，来源：国际SKA组织）

　　为迎接SKA时代的到来，中国天文界正在做充分的科学准备。在中国SKA首席科学家、中科院国家天文台武向平院士牵头下，我国天文界已形成11个科学工作组，并已完成《中国SKA科学白皮书》中、英文版。面向未来的中国SKA人才培养探路计划，如与SKA台址国澳大利亚和总部国英国合作的“中-澳、中-英SKA联合博士生计划”已执行多年。

　　国际SKA组织为什么一定要创建政府间国际组织（IGO）？

　　国际SKA组织成立于2011年，初始为一家注册在英国的非营利性公司，但为了SKA的根本利益与长远发展，必须过渡为IGO。IGO的优越性在于，各成员国参与SKA是国家行为，不因政府的更迭而受影响（政府更迭在很多国家是频繁发生的事情）。因此，SKA公约经各国政府签署后，还必须报请各国议会（我国是全国人大）批准方能生效。IGO将确保SKA天文台至少50年的安全稳定运行。另外，IGO将保障SKA在工程采购、雇员工资等方面享受国际组织的免税待遇。这将极大节省各成员国的出资负担。

图：目前参加SKA的国家，遍布世界五大洲，占据了全球人口的近一半（来源：国际SKA组织）（注：尚未包括刚签约的葡萄牙，以及数个未来可能加入SKA的观察员国家）

　　签署SKA公约为什么重要？

　　根据规则，SKA公约经首批国家签署后，须经（3+2）个国家的议会批准后方能生效。即目前签字的这7个国家，在全部三个东道国及两个非东道国的议会批准公约后，则IGO自动生效并开始正式运作。相应地，首批签署公约的国家，将成为IGO的创始成员国，并在国际SKA组织中享有最多的权利。

图：SKA第一阶段的望远镜能力与世界上现有主要射电望远镜的对比（来源：国际SKA组织）

　　为什么目前SKA成员没有全部签署公约？

　　首先，作为政府间国际组织，参加方必须是各国政府。目前SKA组织中，大多数参加方都是政府，如中国、南非是科技部，澳大利亚是工业与科学部等。但同时也有一些国家的参加方并非政府部门，如加拿大是国家研究理事会，法国是国家科研中心，他们不能签署公约。另外，一些国家由于各种原因，暂时还未做好签署公约的准备。不能签公约的国家，只能作为IGO的准成员参加SKA，且在未来的SKA理事会中不享有投票权。

　　中国在SKA中发挥的重要作用

　　中国在国际SKA计划中一直发挥着重要作用。早在上世纪90年代初，中国即与全世界十个国家一起，共同发起设计建造SKA（当时叫LT，即Large Telescope）的倡议，是SKA概念的最初提出者之一。中国的SKA方案（后来发展出FAST）多年来一直是国际SKA的候选方案。2011年，中国作为创始国，共同创建了国际SKA组织。中国全程参与了SKA计划的所有过程，自始至终是SKA的坚定支持者。

　　中国将在SKA建设中发挥关键作用。中国目前是SKA国际工作包联盟中的天线工作包联盟的主席（SKA各工作包中造价排第一的工作包）。经过激烈竞争，中国方案成为该工作包联盟的唯一候选方案，首台15米天线样机已于2018年2月在中国电科54所建成。另外，中国在时间同步、及低频阵等工作包中也将发挥重要作用。

　　另外，中国也是SKA成员国中明确表达建设本国SKA区域中心计划的国家。

　　国家天文台在中国SKA中的作用

　　国家天文台是SKA计划的共同发起者和全程参与者，2011年共同创建国际SKA组织，并曾代表中国参加SKA。我国天文界参与SKA国际谈判及董事会或工作组的专家均来自国台，他们配合科技部，不辱使命，维护了我国参加SKA的国家利益。从设备上，国台的FAST与SKA形成很好的互补与承启关系，而国台的21CMA低频阵作为我国SKA低频探路者积累了大量宝贵经验。

图：科技部王志刚部长一行于2018年7月访问南非SKA台址，在中国电科集团54所建造的SKA原型天线前合影（图片来源：科技部）

　　作者：秦波，系中国科学院国家天文台研究员，博士导师，SKA科学部主任。分别任国际SKA组织战略委员会、出资工作组、财政协定工作组等成员。