
2019年3月,在意大利罗马,中国、澳大利亚、意大利、荷兰、葡萄牙、南非和英国正式签署了成立政府间国际组织SKA天文台的公约。
罗马不是一天建成的。1991年SKA作为概念第一次被提出来,2011年SKA组织在英国曼切斯特成立,2012年SKA顶层设计完成,而SKA第一、二阶段全部建成要等到2024年。

包括7个创始成员国在内,SKA共有13个成员国,和4个非成员国。俄罗斯并未参加SKA;美国在天文学10年规划中未通过SKA预算,在2011年退出了SKA计划;因为削减预算,2014年德国也一度要退出SKA.
SKA的预算为18亿欧元,其中第一阶段约6.5亿欧元。这些钱将用于在澳大利亚珀斯建设50MHz-350MHz的低频阵列,在南非开普敦建设350MHz-14GHz的高频阵列,还有将这些阵列激活的超算能力。
SKA全部建成后,灵敏度将是目前射电望远镜的50倍,速度将是目前射电望远镜的10,000倍,成像精度将是哈勃望远镜的50倍。也就是说,远在几十光年外的机场雷达也能被SKA发现。
SKA不仅是世界上最好的天文望远镜,也为研究宇宙起源和多重引力提供了可能。

SKA-Low位于西澳大利亚的Murchison天文台,在65公里的区域内,分布着132,000个50MHz-350MHz的天线。每256个天线组成一个站点,通过引入不同的时延,形成一个巨大的天线口径。多个站点通过信号处理,数据通信和计算能力再形成一个超级有效天线口径,或是许多独立的亚口径,这取决于对带宽和视野的需求。
为了减小噪声的影响,西澳大利亚政府在天文台附近划定了一片无线电静默区。为了不错过太空深处的微弱信号,天文台的超算中心需要将自身的无线电泄漏减小到10亿分之一。整个建筑就是一个巨大的屏蔽盒,在外部还有一个更大的屏蔽盒,计算设备放在建筑最里面的房间,周边设备放在外围的房间。
但噪声的威胁不仅来自地面,无人机、星链网,越来越复杂的电磁环境需要更有力的无线电频谱监管和协调机制。地球,并不是最适合天文观测的地方。

KA-Mid位于南非,第一阶段由130面15米的反射面天线组成,覆盖350MHz-14GHz的频段,这些天线将放置在64面13.5米的MeerKAT反射面天线中间。天线阵列中心密集,用于脉冲观测;外围稀疏,一直延伸到120公里以外,用于提高角分辨力。第二阶段反射面的数量将达到2000面,覆盖区域也将扩展到南非周边的其他几个国家。

实际上,SKA共由三个区域组成,一直延伸到3000公里之外。中心区域是在SKA-Low和SKA-Mid的5公里范围内,区域内包含了一半的天线。中间区域延伸到180公里以外,会随机放置SKA-Low天线站点和SKA-Mid反射面天线,天线密度也从中心区域逐渐过度到外围区域。外围区域会一直延伸到3000公里以外,由5条螺旋摆臂组成,每条包含20个SKA-Mid反射面天线,天线的间距也越来越大。


SKA在天文观测中会产生大量数据,SKA1-Low每秒钟会产生157TB的数据,SKA1-Mid每秒钟会产生2TB的数据,处理这些数据需要高性能的算力。
由于SKA只处理数据却不仿真模拟,等到2024年第二阶段完全建成的时候,2021年建成的超级计算机已经可以提供SKA算力需求的6倍。
SKA的算力主要用于观测数据的提取,剔除空白数据,再将预处理的数据送往区域中心,或在本地存储。这种大数据和云计算的需求本质上需要一种分布式算力。在处理器级别,它可能是CPU,GPU和FPGA的异质结构,GPU和FPGA作为加速器提供并行处理的能力。并不是每个站点都会配备同样的分布式算力。根据需要,一些地方的算力会比其他地方更多。


信号和数据传输是SKA组网的骨干,它主要包括将观测数据从天线送到本地站点处理,再送往区域算力中心;将高精度的同步信号从算力中心送往各本地站点;监测信号通过辅助网络在SKA系统中的传输。不管是数据量、时钟同步稳定度和精度、多层协议的可用度和安全性都是对SKA信号数据传输的巨大挑战。
SKA是一个庞大且耗时很长的项目,需要铺路石为正式部署提供技术贮备,并加以验证。南非的MeerKAT 和HERA,澳大利亚的MWA和ASKAP就是为此建造的。




这些铺路石并不是一次性投资,而是SKA的前传。实际上SKA共有三个阶段,第一阶段会将MeerKAT, ASKAP反射面和SKA-Low, SKA-Mid融合,提供10%的性能;第二阶段将完成整个5集束螺旋摆臂,提供100%的性能;第三阶段会将频率升级到30GHz,甚至更高。
SKA在2024年建成后,将服役50年,并在50年间不断升级。50年太久,科技革新却日新月异。也许在2020-2050的SKA鼎盛期,新的技术已经解决了我们现有的问题。但不论如何,这种跨越国际的协作,集中全球智力的行为本身,已经为星际文明打开了蓝图。
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