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澳大利亞西澳大利亞州默奇森郡——八座客機的塞斯納渦輪螺旋槳飛機的飛行員將飛機的機頭與前方紅土跑道對齊，這是一條清理出來的地球帶，與下方平坦、植被稀疏的地形並無太大不同。
他將飛機降至 90 米的高度，然後改平，嗡嗡地掠過跑道進行目視檢查。在西澳大利亞州珀斯以北約 600 公里處的偏遠 Boolardy 牧場，自上次使用以來，各種碎片都可能被吹到跑道上。或者，也許有迷路的牛或山羊誤入歧途。但沒有——跑道是乾淨的。飛行員繞回跑道，輕柔著陸，並將塞斯納滑行到附近農舍的一堆農用裝置附近停下。熱海市蜃樓在跑道光滑的紅土上閃爍，一股塵捲風在飛機的右翼上方隱約可見。
這是一個艱苦的地區，荒涼的荒野向四面八方延伸至地平線，白蟻丘和野山羊的糞便幾乎是唯一的生命跡象。但默奇森的 Boolardy 農舍卻非常熱鬧，輪流住著工程師、建築工人、科學家，以及現在的四名北美記者，他們是政府贊助的訪問團。聯邦和州機構在 2009 年花費了約 500 萬美元購買了約 3,500 平方公里的牧場，然後與當地的瓦賈裡·亞馬吉族人民簽署了一項土地使用協議，價值超過 1,800 萬美元，允許在近 130 平方公里的核心區域進行建設。自那時以來，該場地在發電、蓄水和高速通訊基礎設施方面進行了多次升級。從農舍到場地核心的土路已被平整和壓實，其平坦度和光滑度可與大多數高速公路媲美。
在西邊九千公里之外的印度洋彼岸，類似的場景正在展開。在南非卡魯地區的卡那封鎮附近，一個政府支援的專案已經購買了約 140 平方公里的農田，位於開普敦東北約 450 公里處。圍繞這片偏遠土地的是新劃定的 125,000 平方公里的保護區。與默奇森一樣，卡魯場地自 2008 年購買以來也經歷了漸進式的改造——更好的道路、新的光纖電纜、新的電力線——變得與周圍崎嶇的環境越來越不協調。
澳大利亞和南非所有這些並行活動背後數十億美元的原因最近變得更加清晰。在每一個遙遠的地點，都湧現出一些射電望遠鏡，就像從紅土中綻放出來的白色蘑菇群。射電望遠鏡看起來像超大的衛星天線，接收來自太空的電磁頻譜中最長波長的輻射。這些輻射可能來自銀河系中的自然射電源，例如被稱為脈衝星的旋轉恆星殘骸，或者可能起源於更短波長的訊號，例如微波，這些微波在穿過膨脹的宇宙從遙遠的源頭傳播到地球的過程中被拉伸到無線電波段。
澳大利亞有六個天線，計劃再增加 30 個；南非已經建造了計劃中的 64 箇中的 7 個。當澳大利亞平方公里陣列探路者 (ASKAP) 和卡魯陣列望遠鏡 (MeerKAT) 這兩個專案完成後，每個專案都將成為世界上最強大的射電天文臺之一。但兩國都將目光投向了更大的獎項。南非正在建造 MeerKAT，澳大利亞正在建造 ASKAP，希望獲得價值 20 億美元的平方公里陣列，這是歷史上最雄心勃勃的望遠鏡專案之一。
2012 年，一個國際聯盟將選擇默奇森或卡魯作為平方公里陣列（SKA）的所在地，SKA 是一個由 15 米射電望遠鏡組成的龐大網路，按計劃，它將包括 3,000 個可操縱的天線，這些天線可在多個軸上旋轉以瞄準天體目標。（該專案的名稱有點用詞不當；這些天線加起來將提供約半平方公里的收集面積。）藉助互連天線陣列，天文學家可以將所有望遠鏡連線在一起，實際上是將該組的集體觀測能力組合成一臺超級望遠鏡。增加更多的收集面積——即建造更多的天線——可以提高陣列的靈敏度，而將天線分散在很遠的距離可以使陣列獲得更好的解析度。
一個互補的固定天線陣列——更像老式的屋頂電視天線而不是衛星天線——將收集較低波長的無線電波，並將使該專案更接近其名義上的平方公里覆蓋範圍。在計劃於 2020 年代中期全面建成後，SKA 的數字輸出可能超過當前全球網際網路流量。該專案的成本將在多個合作國家之間分攤。但是，計劃中的 3,000 個天線究竟有多少個會被建造，以及由誰來支付這些天線的費用，仍然懸而未決。
無論如何，南非和澳大利亞都渴望收穫主辦這樣一個世界一流專案所帶來的經濟效益和科學榮耀。兩國代表都很快指出各自場地的優勢。
“我認為澳大利亞無疑是 SKA 的所在地，”聯邦科學與工業研究組織 (CSIRO) 的天文和空間科學主管 Phil Diamond 說，CSIRO 是澳大利亞國家科學機構，正在領導該國競標該專案。Diamond 指出了默奇森場地的極端偏遠性以及周圍人口稀少的地區，這意味著地球人產生的無線電波背景噪聲更小——這對於靈敏的射電天文學至關重要。“沒有人，沒有手機，沒有微波爐，沒有車庫門遙控器，”Diamond 說。他的 CSIRO 同事、澳大利亞 SKA 專案主任 Brian Boyle 喜歡丟擲默奇森郡的人口密度資料——以每平方米“納人”為單位。“它沒有城鎮，”Boyle 談到該郡時說。“它以沒有城鎮而自豪。”
南非代表團辯稱，偏遠性並非一切，卡魯場地可以節省重要的成本。“在南非建造基礎設施要便宜得多，在南非進行維護和保養也要便宜得多，”該國 SKA 專案的專案主管 Bernie Fanaroff 說。此外，MeerKAT 場地現在有電網供電，而 ASKAP 場地沒有。為數千個望遠鏡、它們的接收器和所有相關的計算機裝置供電，在脫離電網的情況下將是昂貴的。南非 SKA 科學和工程副主任 Justin Jonas 總結了他所在國家選擇 SKA 擬議地點的理由：“讓我們找到一個足夠偏遠以滿足科學目標的地點，但又不會太偏遠以至於在那裡建立任何東西都將付出沉重的代價。”
Diamond 說，SKA 的核心區域將集中大約一半的望遠鏡，需要大約 40 兆瓦的電力。另一半望遠鏡將呈長臂狀扇形展開，延伸至紐西蘭以最大限度地提高陣列的解析度；在非洲，這些臂將跨越多個國家。
雖然默奇森郡是太陽能發電的理想場所——它既有充足的土地，又有充足的陽光——但一座 40 兆瓦的太陽能發電廠本身將是一項巨大的工程。“能源對我們來說是一個大問題，”Diamond 承認。
一個國際委員會在 2006 年從四份提案中選出了這兩個場地，這些提案還包括來自中國的提案以及來自阿根廷和巴西的提案。“SKA 科學委員會表示，從科學角度來看，這兩個場地都是可以接受的，”康奈爾大學天文學家 Yervant Terzian 說，他是 SKA 選址小組的成員。“我認為這非常好。剩下的就是完善了。”
默奇森和卡魯的無線電靜默程度都足以滿足 SKA 的基線科學要求，但一些干擾是不可避免的。GPS 衛星、商用飛機和普遍存在的人類傳輸都會對無線電波造成無線電汙染。對場地無線電干擾和大氣擾動水平的測量正在進行中，但許多其他因素也將發揮作用。哪個場地的基礎設施最好？哪個政治氣候更吸引人？該專案將在哪裡帶來最大的文化效益？“這是一長串標準，”康奈爾大學的 James Cordes 說，他是美國 SKA 聯盟的主席，該聯盟是一個由美國機構組成的團體，一直致力於開發 SKA。
澳大利亞在射電天文學領域擁有悠久的領導地位。二戰結束後，當射電天文學真正開始時，該領域的領先團隊之一是由 John G. Bolton 和 J. L. Pawsey 領導的 CSIRO 團隊。2000 年的電影天線，講述帕克斯射電望遠鏡的故事，是一個重要的文化觸點。但南非一直在穩步投資射電天文學，Jonas 說，該國不再是面臨技術專業知識質疑的弱者。“我認為我們現在已經遠遠超越了這一點，”他說。
Roy Booth 是南非哈特比斯胡克射電天文臺的天文學家，也是 MeerKAT 科學運營副主任，他說，將世界一流的科學專案帶到非洲將具有巨大的文化效益。“當然，星星是你無論貧富都能看到的東西，”Booth 說。“如果我們能將 SKA 打造成類似於科學世界盃的東西，我們可能會引起村莊里人們的興趣。”
脈衝星種群和深空宇宙
Cordes 對 SKA 的興趣部分源於該陣列尋找脈衝星的能力，脈衝星是高度磁化的恆星殘骸，旋轉速度極快。有些脈衝星在一秒鐘內可以完成數百次旋轉。脈衝星發射出一束輻射；當脈衝星旋轉時，它的光束會掃過地球，就像燈塔的光束掃過船隻一樣。但沒有燈塔可以與脈衝星的可靠性相媲美：一些脈衝星的光束在太空中掃過的規律性與原子鐘的滴答聲相當。
脈衝星——緻密、巨大的物體，具有充當精密時鐘的能力——是檢驗阿爾伯特·愛因斯坦引力理論——廣義相對論的理想天然實驗室。Russell Hulse 和 Joseph Taylor 因在 1974 年發現脈衝星圍繞另一個巨大物體執行而榮獲 1993 年諾貝爾物理學獎，當時他們都在馬薩諸塞大學阿默斯特分校工作。他們所謂的雙星脈衝星可以間接證實引力波的存在，引力波是時空結構中的漣漪，源於大質量物體的運動。Hulse 和 Taylor 使用位於波多黎各的 305 米阿雷西博天文臺發現了他們的雙星脈衝星 PSR 1913+16，阿雷西博天文臺是目前現存最大的射電天線。
但就無線電干擾而言，阿雷西博是一個相當嘈雜的場所，而完整的 SKA 將具有更大的收集面積——因此對微弱射電源的靈敏度更高。“藉助 SKA，我們希望對銀河系脈衝星進行全面的銀河普查，”Cordes 說，“這意味著嘗試探測銀河系中每一個該死的脈衝星。”天文學家已經定位了大約 2,000 顆脈衝星，但僅在銀河系中就可能很容易有 10 倍之多。雖然 2,000 顆脈衝星構成了一個相當大的樣本，但最有趣的脈衝星——那些像 PSR 1913+16 這樣的雙星配對和被稱為毫秒脈衝星的快速自旋星——相對稀有。對脈衝星的全面普查甚至可能揭示一些怪異的脈衝星，這些脈衝星可能揭示我們對引力理解中的差距。“我們很想找到一顆圍繞黑洞執行的脈衝星，”CSIRO 的 Diamond 說。“這可能是廣義相對論開始失效的領域。”
藉助足夠強大的望遠鏡，從毫秒脈衝星測得的脈衝到達時間的不規則性也可能標誌著引力波穿過區域性宇宙的存在。這些引力波會壓縮和拉伸空間，以及穿過空間的無線電波，從而擾亂脈衝星通常可預測的滴答聲。“這些波應該無處不在，”Cordes 說。“它們影響你看到的每一條視線。”
透過收集長波長無線電波，SKA 也可能能夠深入觀察早期宇宙，當時第一批星系和恆星出現。（由於光速是有限的，天文學家可以透過觀察天空中古老而遙遠的天體來了解宇宙的過去，這些天體的光是在數十億年前發射的，但現在才到達地球。）中性氫在宇宙大爆炸後的最初數億年中佔據主導地位，它在微波波段以明顯的波長髮射光子；這些微波光子在穿越廣闊的膨脹宇宙的過程中被拉伸到更長的無線電波長。SKA 可以繪製早期宇宙的中性氫圖，以窺視宇宙黑暗時代，即在發光恆星和星系出現並電離星系際氫之前的時期。
這將使天文學家能夠瞥見宇宙早期演化中結構形成的基本上不可接近的階段。“我想看到宇宙大爆炸後誕生的第一批星系的射電影像，”Terzian 說。“我可以告訴你，這將是令人興奮的。”
超越阿雷西博
望遠鏡陣列將變得多大——以及它的科學將具有多大的革命性——取決於資金。在前往默奇森場地的途中，Boyle，他是一位不知疲倦的專案推銷員，在提到全尺寸的 3,000 個天線 SKA 時笑了。他承認，該專案可能會在部分建成時停滯不前，可能需要一段時間才能超越數百個望遠鏡。
但即使是縮減規模的 SKA 仍然是同類儀器中最大的。它可以輕鬆地使新墨西哥州的甚大陣列相形見絀，甚大陣列是地球上首屈一指的射電望遠鏡陣列之一，擁有 27 個天線，每個天線直徑 25 米。而且它將比阿雷西博擁有更大的收集面積，阿雷西博是地球上最大的單碟天線。“即使在遠小於完全建成的情況下，它也會超過阿雷西博，”Cordes 指出。僅使用大約 400 個天線，每個天線直徑為 15 米，SKA 將擁有比阿雷西博更大的收集面積，同時無線電干擾也大大減少。
4 月 2 日，澳大利亞和南非景觀中點綴的射電望遠鏡有一天會演變成由 3,000 個天線組成的龐大叢集的願景開始顯得有些站不住腳了。九個國家的國家科學機構聯盟正式簽署了平方公里陣列協議，在英國的喬德雷爾班克天文臺成立了創始委員會和專案辦公室。但簽署國名單中不包括美國國家科學基金會 (NSF)，此前預計 NSF 將為該專案貢獻三分之一的資金。另外三分之一將來自歐洲——事實上，法國、德國、義大利、荷蘭和英國確實簽署了協議——最後三分之一將來自其餘的國際合作夥伴。
“NSF 沒有簽署創始委員會協議，因為該協議包括承諾以顯著提高的資金水平參與下一階段，”NSF 天文學科學部門主任 James Ulvestad 在一封電子郵件中說。國家研究委員會 2010 年的一份報告旨在指導美國未來十年的天文學優先事項，該報告得出的結論是，除非美國關閉其他“高效設施”，否則在當前的財政環境下參與 SKA 是不可能的；Ulvestad 說，NSF 已經接受了這一結論。他指出，美國已經對 SKA 進行了投資，例如支援該專案的技術開發，“如果獨立審查給予它們非常高的優先順序，美國將繼續在資金允許的情況下進行此類投資。”
在該決定宣佈之前，Cordes 曾強調，SKA 將是一種模組化儀器——它在擁有 3,000 個天線的情況下會執行良好，但即使只有一個天線也可以進行科學研究。“我認為我們需要突破一些這些看法，”他說，SKA 是“這個價格標籤高達數十億美元的龐然大物”。