自从去年美国天眼-阿雷西博望远镜的崩塌后,我国天眼-FAST,已经成为全世界唯一的填充口径(即全口径均有反射面)球面射电望远镜,引领着世界射电天文学的研究。

但中国科学院院士武向平却提出了不同意见,他在报告中指出:“FAST保持领先地位,大概只有十年时间,一旦SKA建成,不管我们愿不愿意,FAST的领先优势终将被其所取代。”

那么,什么是SKA?为什么SKA将会取代FAST“天眼”的领先地位呢?

FAST“中国天眼”

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什么是SKA?

SKA就是平方千米阵列射电望远镜(Square Kilometre Array)的英文简称,简单理解就是,与“中国天眼”FAST 相比,SKA的接收面积更大,将会达到平方千米级(FAST天眼接收口径为500米)。并且,与“中国天眼”像一个巨碗不同,SKA就像是由很多个小碗组成的,是上千面反射面天线和一百多万个低频天线构成的阵列。

SKA的反射面天线

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SKA的低频天线阵列

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那么它的性能如何呢?

SKA的分布范围十分辽阔,它将有一半天线位于中央直径5公里的区域内,另有四分之一的天线散布在周围150公里的区域内,其余的分布在大约3000公里的范围内,而对比目前最大的综合孔径射电望远镜——美国的甚大天线阵,最大基线也不过只有36公里,如此巨大的阵列排布,将带来前所未有的广阔视场,整个南半球的天空都将在SKA的视野中展露无遗。

除了广阔的视场外,SKA数量惊人的接收天线,也会带来比现有最大的射电望远镜清晰一倍以上的分辨率,好比我们看电影时蓝光和高清的差别。同时,SKA发现暗弱目标的灵敏度,会比目前现有的望远镜提高100倍之多,搜寻速度更是将提高到惊人的10000倍。可以说,无论是在视场、灵敏度、工作频率还是分辨率、巡天速度、搜寻速度,SKA都将大幅超越现有的所有射电天文望远镜,将承载射电天文学未来50年的发展命脉。

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中国也参与进SKA

如此庞大又先进的项目,所需的资金也是一个惊人的数字,根据目前的资料显示,整个项目所需的资金将超过15亿欧元。同时,SKA项目还需要面积巨大以及受电磁波干扰尽量少的场地,而地球上能满足这么苛刻要求的地方,只有地广人稀的澳大利亚西部与南非两个地区。所以,SKA是一个国际合作的科研大项目,需要国际社会的通力合作。目前已有澳大利亚、英国、法国、德国、南非、日本在内的16个国家参与到这项目,其中,中国也是SKA项目的发起国与主要成员国。如下图就是SKA的参与国截图。

SK参与国截图

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或许有细心的读者已经发现了,如此重大,并将会影响人类未来50年对于太空认知的国际科研项目,竟然少了一个重量级的身影,美国它去哪了?

退出SKA项目的美国

前面提到,SKA项目的选址是在澳大利亚和南非,但其实美国也曾经争取过把项目放在自己本国内。但最后的结果我们都知道了,在2006年的初期选址中,美国落选了。不过即使落选了也不要紧,还是可以继续参加这个项目。可美国竟然在,2011年美国天文学未来10年规划会议中,未通过SKA项目的预算后,就退出了SKA项目。

那么美国为什么没有通过SKA项目的预算呢?难道是美国财大气粗,想要独自开展更强于SKA项目的大工程吗?

其实不是,恰恰相反,美国未通过预算的原因很简单,美国没钱了。确切地说,是美国国家科学基金会(NSF)和美国国家宇航局(NASA)没钱了。

随着科技的进步,天文学观测仪器的性能变得越来越强大,但同时建造难度与成本也成指数级增加。著名的哈勃太空望远镜的制造与发射共花费了47亿美元(折算至2010年美元价格),而它的下一任,多次延期,至今还未升空的詹姆斯·韦伯太空望远镜已经花费了超过100亿美元之巨。

1980-2020年NASA预算(折算至2014年美元价值)单位/十亿美元

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与水涨船高的项目花费相比,近30年来,NASA的科研经费却停滞不前,甚至比起上个世纪90年代还略有下降。日渐高昂的项目花费与稳中有降的科研预算,使得NASA不得不砍掉了大量规划中的项目,例如载人月球探测项目,同时NASA还关停了大量的旧有的外太空探索项目,比如著名的航天飞机项目;而且还关停了一些旧的地面天文台,例如阿雷西博射电望远镜。

近些年来,NASA被迫开展了航天航空商业化的尝试,以期减少额外的经费开支,将一些发射任务交由民间的商业公司负责,例如马斯克的space公司。

退出舞台的航天飞机

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矛盾的美国预算

与NASA捉襟见肘的经费预算相比,美国的国防预算却逐年增加,在砍掉SKA项目的2011年,美国国防预算达到了5283亿美元,而同年,NASA的经费只有184.5亿美元。2020年,尽管遭遇了疫情,但美国的国防预算依然增加到了7380亿美元,占全球所有国家的国防支出 总和的40%,是NASA经费的33倍,比中国和俄罗斯国防预算加起来的两倍还多。

2019世界军费支出前十的国家

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据统计,美国在阿富汗战争投入超过2万亿美元,在伊拉克战争花费超过3万亿美元。仅仅计算千禧年之后,美国在战争中花费的资金,相当于发射有史以来最大的SLS运载火箭6000次,或是建造4000个SKA项目,又或者是从头到尾完成我国的所有载人航天任务1100次。

相比于对宇宙观测、太空探索等探索星空与未知的项目上的抠抠索索,美国却宁愿花费巨资对外发动战争,制造出的却是满目疮痍,内战不断,极端组织横行的伊拉克、阿富汗和利比亚。

除了被战争挤压预算外,美国的太空探索项目受政治因素的影响也很大,2010年,困于预算超支,奥巴马政府无限期搁置了重返月球的计划——星座计划,而到了2019年,特朗普宣布大力支持NASA旨在重返月球并建立长期科研点的阿尔忒弥斯计划,随后,拜登政府上台,国会在新一年的预算审核中,只给了阿尔忒弥斯计划原定的1/4的预算,NASA局长称此举将大大阻碍计划的进行,原定的2024年计划或遭延期。

结尾

与之相映照的,从FAST“中国天眼”到更大更强的SKA,虽然中国的宇宙观测项目起步较晚,但却是一步一个脚印,一直努力走向国际前沿。从1970年新中国第一颗卫星发射升空以来,中国的太空探索,宇宙观测项目虽然缓慢,但却坚定地一点点走出自己的道路。从载人航天,探月工程再到火星探测、建造大型空间站等一系列伟大的航天工程,中国正在一步步追赶上来,相信终有一天,我们将会实现超越。