一个巨大的宇宙之眼

1967年，当时还是剑桥大学研究生的乔斯林·贝尔(Jocelyn Bell)发现了第一颗脉冲星，她使用了安东尼·休伊什(Anthony Hewish)设计的射电望远镜的数据，该望远镜将分布在1.8公顷(相当于三个足球场)面积上的81.5兆赫的2000多个双极子的输入组合在一起。

休伊什在1974年诺贝尔物理学奖的报告中写道:“这需要与现有任何射电望远镜完全不同的仪器能力，即在长波波长上具有非常高的灵敏度，以及每天重复进行全天巡天的多波束能力。”

“幸运的是，观测的要求正是探测脉冲星所需要的。乔斯林·贝尔很快就发现了一个闪烁源每周的变化，随后更详细的观察揭示了信号的脉冲性质。”

平方公里阵列(SKA)使用相同的核心原理，但将在更大的规模上建造。它的支持者能够解决在剑桥附近建造一个灵敏的射电望远镜的问题之一。原始阵列的一个问题是消除了人造射频源。因此SKA需要选址在偏远地区，最好是沙漠，远离人口和电视发射机、微波炉、雷达和手机等设备。尽管SKA将在很大程度上由欧洲控制，其观测结果将反馈到欧洲大陆，但该望远镜将在遥远的地方建造。

完美的SKA位置

SKA核心选址的早期竞争者包括美国、中国和阿根廷等国的沙漠。阿根廷被淘汰了，因为它太靠近赤道，因此受到电离层的影响。2006年，一个由经验丰富的天文学家组成的小组将该领域缩小到澳大利亚和南非。

国际SKA办公室由曼彻斯特大学管理，该大学在英国运营着约德雷尔班克无线电天文台，并负责选择最终地点。SKA设计研究(SKADS)项目的重点是孔径平面相控阵的开发，该项目使用快速数字技术制造一种灵活的多任务望远镜，能够同时进行许多不同的天文观测。

SKADS部分由欧洲共同体第六框架计划资助，包括来自13个国家26个研究所的合作伙伴。澳大利亚和南非也在做进一步准备。

剑桥大学卡文迪什实验室的欧洲SKADS项目工程师安德鲁·福克纳博士说:“两国现在都制定了立法，限制在这些地区使用无线电干扰源。”

“平方公里是指所有碟形和孔径阵列的总收集面积。实际上，该阵列的总物理范围可能在3000公里左右。这在较小的对象上提供了更好的分辨率。SKA的主要目的之一是作为一种发现和测量仪器来发现10亿个星系，我们知道它们就在那里。

“由于它们的距离，我们需要高度的灵敏度。我们正试图探测氢，它是宇宙中最常见的元素，发射频率为1.42GHz。随着宇宙的膨胀，物体离我们越远，它后退的速度就越快，多普勒效应降低了氢[发射]的频率。

“结果是，你可以把这些星系放在3D空间中。为了快速观测天空，你需要一次性观测很多地方的天空，这正是欧洲所专注的。SKA频谱范围为70MHz ~ 10GHz。对于相控阵，我们专注于1.4GHz以下的氢发射频率。”

欧洲的SKA

作为与SKA合作的一部分，欧洲计划建立一个相控阵，其中数千个20 x 20厘米的天线元件之间以半波长距离间隔。

其目的是模仿一个单一的、可操纵的、巨大的盘子形成的图像。虽然将所有信号合并为一个信号没有问题，但每个天线上记录的相位和路径长度需要校正。人们可以用相控阵来做同样的事情，通过在元素之间使用数字控制的时间延迟，而不是操纵一个盘子。通过正确的延迟，每个元素的信号将与数组上其他元素的信号相一致。通过对准多个接收器的相位，然后将所有信号加在一起，相控阵通过电子方式实现了碟形天线通过单一接收器和反射器的机械方式实现的功能。

福克纳解释说，一旦你引入了电子校正的想法，“就有一个巨大的优势:通过使用高速数字信号处理，我们可以对第二束进行相同的处理，并重复多次，在天空的不同部分产生数百束。这就是孔径相控阵具有非凡测量性能的原因。来自250个相控阵观测站的信号被集中在一个中央处理设施中，以高灵敏度提供大量天空的精细图像。

“这是一个灵活的收集区。脉冲星是用相对低频的相控阵探测到的。我们正尝试用SKA相控阵运行到大约1GHz，它有更多的元素。与所有接收器一样，在数字域处理微弱信号之前，仍然需要模拟放大器。望远镜的灵敏度很大程度上取决于前端接收机和低噪声放大器的设计。如果灵敏度能提高一倍，所需面积就能减半。

“方便的是，射电望远镜接收到的是高斯噪声——如果你看到其他任何东西，这就是干扰。你取每个元素，每个极化有两个接收链，放大信号并将其数字化。每个SKA相控阵的直径约为60米，由大约15万个接收链组成。SKA总共有250个阵列，你最终可以得到3000万或4000万个接收器链，但你将获得的灵活性和性能真的是相当惊人的。你可以选择是在窄带宽下看到更多的天空，还是在宽带宽下看到更少的天空。”

作为SKA的候选国家之一，南非正在建造SKA技术探路者望远镜。卡鲁阵列望远镜(KAT)将被安置在北开普省于2008年3月购买的14,000公顷土地上。后来，在获得更多资金后，天文学地理优势法案被重新命名为MeerKAT (meer是南非荷兰语中更多的意思)，该法案旨在保护至少1250万公顷的天文学保护区。

位于约翰内斯堡西北部的Hartebeesthoek射电天文台(HartRAO)建造了一个15米的原型盘，优化了热性能、低模具成本和现场成型。“单碟天文学”项目负责人迈克尔·盖拉德博士说，SKA已经指定了一个1200万米的碟形望远镜进行大规模生产。

“除了无线电频率干扰，云层的存在也会阻碍卫星接收。水会吸收你想要观测的无线电信号，并以22GHz的频率辐射，所以你需要尽可能高的海拔来减少地球大气的含量，”盖拉德解释道。

“你想要尽可能干燥的大气，因此需要沙漠环境。除了SKA核心外，相控阵将分布在数千公里的范围内，具有辐射臂和对数螺旋。从核心到远程站的长基线将为观测对象提供高角度分辨率。

“如果南非获胜，核心将位于卡鲁沙漠，武器向外辐射，在某些情况下会扩散到邻国。延伸到毛里求斯、马达加斯加和肯尼亚，甚至可能延伸到加纳，这将比南非一个国家的东西延伸范围更广。

“澳大利亚的东西延伸范围更广，但可能也会把新西兰作为延伸。部分物流问题实际上是通过光纤电缆连接所有这些元素，并为这些偏远地区供电。

“低频段系统可能是固定在地面上的瓷砖或偶极子，并通过电子方式进行波束转向。当你进入波长较小的中波段时，偶极子和收集区域就会缩小。在这一点上，最好是把一个偶极子放在一个可操纵的菜肴的焦点上，然后复制菜肴。”

盘子批量生产

接下来的问题是如何以低廉的成本批量生产数以千计的菜肴。在确定孔径阵列中的碟形尺寸时，灵敏度必须与视场(FoV)进行权衡，即碟形越小，视场越大。灵敏度由大N提供，并与盘子的数量乘以它们直径的平方成正比，而FoV由小直径提供。

“你能观察到的天空面积与盘子直径的平方成反比，所以如果你把直径翻倍，你能看到的天空面积就会缩小四倍，”Hartrao的主任、罗德大学物理和电子系的系主任贾斯汀·乔纳斯教授说。

乔纳斯解释说:“对物体进行观测有两种基本方法。一种是有针对性的观察，目的是长时间“盯着”一个物体以改善图像，只要物体比FoV小。

“另一种情况是物体比FoV大，你需要把它拼成马赛克。对于SKA来说，要进行全天空巡天，FoV越大，它需要做的点的数量就越少，因为它是在用更大的补丁制作马赛克。它基本上是用这些光束把整个天空镶嵌起来。

“因此，碟形天线直径必须足够大，以满足低频下的20波长标准，但又必须足够小，以支持高频观测。在SKA术语中，最低频率在很大程度上转化为氢的红移，这对碟形尺寸有一个下限:1420 mhz氢线的波长为21厘米。

“即使以最小的成本获得一定的灵敏度或测量速度推动了小天线的争论，但极限是由麦克斯韦方程决定的。SKA有一个大约300到700MHz的交叉频率，我们可以从使用碟形天线切换到在较低频率下更有效的孔径阵列。”

SKA将采用一个巨大的超级计算机软件环境，在采样和互相关联之前对信号进行数字滤波，由fpga、asic和多核处理器组成。完整的SKA将需要超过200petaflops的处理能力。

Jonas说道:“使用商用处理器的一大优势便是它们的游戏图像处理能力，这与我们想要运行的算法非常匹配，但它们并不是为射电天文学设计的，所以你需要人们去充分发挥它们的优势。”

asic在功耗方面很好，但不能重新配置，而fpga则相反。现成的COTS组件总是比特殊组件便宜。对于矢量计算，我们需要最大的超级计算机，不仅是现在，而且是2020年。”