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澳大利亚西澳大利亚州默奇森郡——八座客机的塞斯纳涡轮螺旋桨飞机的飞行员将飞机的机头与前方红土跑道对齐，这是一条清理出来的地球带，与下方平坦、植被稀疏的地形并无太大不同。
他将飞机降至 90 米的高度，然后改平，嗡嗡地掠过跑道进行目视检查。在西澳大利亚州珀斯以北约 600 公里处的偏远 Boolardy 牧场，自上次使用以来，各种碎片都可能被吹到跑道上。或者，也许有迷路的牛或山羊误入歧途。但没有——跑道是干净的。飞行员绕回跑道，轻柔着陆，并将塞斯纳滑行到附近农舍的一堆农用设备附近停下。热海市蜃楼在跑道光滑的红土上闪烁，一股尘卷风在飞机的右翼上方隐约可见。
这是一个艰苦的地区，荒凉的荒野向四面八方延伸至地平线，白蚁丘和野山羊的粪便几乎是唯一的生命迹象。但默奇森的 Boolardy 农舍却非常热闹，轮流住着工程师、建筑工人、科学家，以及现在的四名北美记者，他们是政府赞助的访问团。联邦和州机构在 2009 年花费了约 500 万美元购买了约 3,500 平方公里的牧场，然后与当地的瓦贾里·亚马吉族人民签署了一项土地使用协议，价值超过 1,800 万美元，允许在近 130 平方公里的核心区域进行建设。自那时以来，该场地在发电、蓄水和高速通信基础设施方面进行了多次升级。从农舍到场地核心的土路已被平整和压实，其平坦度和光滑度可与大多数高速公路媲美。
在西边九千公里之外的印度洋彼岸，类似的场景正在展开。在南非卡鲁地区的卡那封镇附近，一个政府支持的项目已经购买了约 140 平方公里的农田，位于开普敦东北约 450 公里处。围绕这片偏远土地的是新划定的 125,000 平方公里的保护区。与默奇森一样，卡鲁场地自 2008 年购买以来也经历了渐进式的改造——更好的道路、新的光纤电缆、新的电力线——变得与周围崎岖的环境越来越不协调。
澳大利亚和南非所有这些并行活动背后数十亿美元的原因最近变得更加清晰。在每一个遥远的地点，都涌现出一些射电望远镜，就像从红土中绽放出来的白色蘑菇群。射电望远镜看起来像超大的卫星天线，接收来自太空的电磁频谱中最长波长的辐射。这些辐射可能来自银河系中的自然射电源，例如被称为脉冲星的旋转恒星残骸，或者可能起源于更短波长的信号，例如微波，这些微波在穿过膨胀的宇宙从遥远的源头传播到地球的过程中被拉伸到无线电波段。
澳大利亚有六个天线，计划再增加 30 个；南非已经建造了计划中的 64 个中的 7 个。当澳大利亚平方公里阵列探路者 (ASKAP) 和卡鲁阵列望远镜 (MeerKAT) 这两个项目完成后，每个项目都将成为世界上最强大的射电天文台之一。但两国都将目光投向了更大的奖项。南非正在建造 MeerKAT，澳大利亚正在建造 ASKAP，希望获得价值 20 亿美元的平方公里阵列，这是历史上最雄心勃勃的望远镜项目之一。
2012 年，一个国际联盟将选择默奇森或卡鲁作为平方公里阵列（SKA）的所在地，SKA 是一个由 15 米射电望远镜组成的庞大网络，按计划，它将包括 3,000 个可操纵的天线，这些天线可在多个轴上旋转以瞄准天体目标。（该项目的名称有点用词不当；这些天线加起来将提供约半平方公里的收集面积。）借助互连天线阵列，天文学家可以将所有望远镜连接在一起，实际上是将该组的集体观测能力组合成一台超级望远镜。增加更多的收集面积——即建造更多的天线——可以提高阵列的灵敏度，而将天线分散在很远的距离可以使阵列获得更好的分辨率。
一个互补的固定天线阵列——更像老式的屋顶电视天线而不是卫星天线——将收集较低波长的无线电波，并将使该项目更接近其名义上的平方公里覆盖范围。在计划于 2020 年代中期全面建成后，SKA 的数字输出可能超过当前全球互联网流量。该项目的成本将在多个合作国家之间分摊。但是，计划中的 3,000 个天线究竟有多少个会被建造，以及由谁来支付这些天线的费用，仍然悬而未决。
无论如何，南非和澳大利亚都渴望收获主办这样一个世界一流项目所带来的经济效益和科学荣耀。两国代表都很快指出各自场地的优势。
“我认为澳大利亚无疑是 SKA 的所在地，”联邦科学与工业研究组织 (CSIRO) 的天文和空间科学主管 Phil Diamond 说，CSIRO 是澳大利亚国家科学机构，正在领导该国竞标该项目。Diamond 指出了默奇森场地的极端偏远性以及周围人口稀少的地区，这意味着地球人产生的无线电波背景噪声更小——这对于灵敏的射电天文学至关重要。“没有人，没有手机，没有微波炉，没有车库门遥控器，”Diamond 说。他的 CSIRO 同事、澳大利亚 SKA 项目主任 Brian Boyle 喜欢抛出默奇森郡的人口密度数据——以每平方米“纳人”为单位。“它没有城镇，”Boyle 谈到该郡时说。“它以没有城镇而自豪。”
南非代表团辩称，偏远性并非一切，卡鲁场地可以节省重要的成本。“在南非建造基础设施要便宜得多，在南非进行维护和保养也要便宜得多，”该国 SKA 项目的项目主管 Bernie Fanaroff 说。此外，MeerKAT 场地现在有电网供电，而 ASKAP 场地没有。为数千个望远镜、它们的接收器和所有相关的计算机设备供电，在脱离电网的情况下将是昂贵的。南非 SKA 科学和工程副主任 Justin Jonas 总结了他所在国家选择 SKA 拟议地点的理由：“让我们找到一个足够偏远以满足科学目标的地点，但又不会太偏远以至于在那里建立任何东西都将付出沉重的代价。”
Diamond 说，SKA 的核心区域将集中大约一半的望远镜，需要大约 40 兆瓦的电力。另一半望远镜将呈长臂状扇形展开，延伸至新西兰以最大限度地提高阵列的分辨率；在非洲，这些臂将跨越多个国家。
虽然默奇森郡是太阳能发电的理想场所——它既有充足的土地，又有充足的阳光——但一座 40 兆瓦的太阳能发电厂本身将是一项巨大的工程。“能源对我们来说是一个大问题，”Diamond 承认。
一个国际委员会在 2006 年从四份提案中选出了这两个场地，这些提案还包括来自中国的提案以及来自阿根廷和巴西的提案。“SKA 科学委员会表示，从科学角度来看，这两个场地都是可以接受的，”康奈尔大学天文学家 Yervant Terzian 说，他是 SKA 选址小组的成员。“我认为这非常好。剩下的就是完善了。”
默奇森和卡鲁的无线电静默程度都足以满足 SKA 的基线科学要求，但一些干扰是不可避免的。GPS 卫星、商用飞机和普遍存在的人类传输都会对无线电波造成无线电污染。对场地无线电干扰和大气扰动水平的测量正在进行中，但许多其他因素也将发挥作用。哪个场地的基础设施最好？哪个政治气候更吸引人？该项目将在哪里带来最大的文化效益？“这是一长串标准，”康奈尔大学的 James Cordes 说，他是美国 SKA 联盟的主席，该联盟是一个由美国机构组成的团体，一直致力于开发 SKA。
澳大利亚在射电天文学领域拥有悠久的领导地位。二战结束后，当射电天文学真正开始时，该领域的领先团队之一是由 John G. Bolton 和 J. L. Pawsey 领导的 CSIRO 团队。2000 年的电影天线，讲述帕克斯射电望远镜的故事，是一个重要的文化触点。但南非一直在稳步投资射电天文学，Jonas 说，该国不再是面临技术专业知识质疑的弱者。“我认为我们现在已经远远超越了这一点，”他说。
Roy Booth 是南非哈特比斯胡克射电天文台的天文学家，也是 MeerKAT 科学运营副主任，他说，将世界一流的科学项目带到非洲将具有巨大的文化效益。“当然，星星是你无论贫富都能看到的东西，”Booth 说。“如果我们能将 SKA 打造成类似于科学世界杯的东西，我们可能会引起村庄里人们的兴趣。”
脉冲星种群和深空宇宙
Cordes 对 SKA 的兴趣部分源于该阵列寻找脉冲星的能力，脉冲星是高度磁化的恒星残骸，旋转速度极快。有些脉冲星在一秒钟内可以完成数百次旋转。脉冲星发射出一束辐射；当脉冲星旋转时，它的光束会扫过地球，就像灯塔的光束扫过船只一样。但没有灯塔可以与脉冲星的可靠性相媲美：一些脉冲星的光束在太空中扫过的规律性与原子钟的滴答声相当。
脉冲星——致密、巨大的物体，具有充当精密时钟的能力——是检验阿尔伯特·爱因斯坦引力理论——广义相对论的理想天然实验室。Russell Hulse 和 Joseph Taylor 因在 1974 年发现脉冲星围绕另一个巨大物体运行而荣获 1993 年诺贝尔物理学奖，当时他们都在马萨诸塞大学阿默斯特分校工作。他们所谓的双星脉冲星可以间接证实引力波的存在，引力波是时空结构中的涟漪，源于大质量物体的运动。Hulse 和 Taylor 使用位于波多黎各的 305 米阿雷西博天文台发现了他们的双星脉冲星 PSR 1913+16，阿雷西博天文台是目前现存最大的射电天线。
但就无线电干扰而言，阿雷西博是一个相当嘈杂的场所，而完整的 SKA 将具有更大的收集面积——因此对微弱射电源的灵敏度更高。“借助 SKA，我们希望对银河系脉冲星进行全面的银河普查，”Cordes 说，“这意味着尝试探测银河系中每一个该死的脉冲星。”天文学家已经定位了大约 2,000 颗脉冲星，但仅在银河系中就可能很容易有 10 倍之多。虽然 2,000 颗脉冲星构成了一个相当大的样本，但最有趣的脉冲星——那些像 PSR 1913+16 这样的双星配对和被称为毫秒脉冲星的快速自旋星——相对稀有。对脉冲星的全面普查甚至可能揭示一些怪异的脉冲星，这些脉冲星可能揭示我们对引力理解中的差距。“我们很想找到一颗围绕黑洞运行的脉冲星，”CSIRO 的 Diamond 说。“这可能是广义相对论开始失效的领域。”
借助足够强大的望远镜，从毫秒脉冲星测得的脉冲到达时间的不规则性也可能标志着引力波穿过局部宇宙的存在。这些引力波会压缩和拉伸空间，以及穿过空间的无线电波，从而扰乱脉冲星通常可预测的滴答声。“这些波应该无处不在，”Cordes 说。“它们影响你看到的每一条视线。”
通过收集长波长无线电波，SKA 也可能能够深入观察早期宇宙，当时第一批星系和恒星出现。（由于光速是有限的，天文学家可以通过观察天空中古老而遥远的天体来了解宇宙的过去，这些天体的光是在数十亿年前发射的，但现在才到达地球。）中性氢在宇宙大爆炸后的最初数亿年中占据主导地位，它在微波波段以明显的波长发射光子；这些微波光子在穿越广阔的膨胀宇宙的过程中被拉伸到更长的无线电波长。SKA 可以绘制早期宇宙的中性氢图，以窥视宇宙黑暗时代，即在发光恒星和星系出现并电离星系际氢之前的时期。
这将使天文学家能够瞥见宇宙早期演化中结构形成的基本上不可接近的阶段。“我想看到宇宙大爆炸后诞生的第一批星系的射电图像，”Terzian 说。“我可以告诉你，这将是令人兴奋的。”
超越阿雷西博
望远镜阵列将变得多大——以及它的科学将具有多大的革命性——取决于资金。在前往默奇森场地的途中，Boyle，他是一位不知疲倦的项目推销员，在提到全尺寸的 3,000 个天线 SKA 时笑了。他承认，该项目可能会在部分建成时停滞不前，可能需要一段时间才能超越数百个望远镜。
但即使是缩减规模的 SKA 仍然是同类仪器中最大的。它可以轻松地使新墨西哥州的甚大阵列相形见绌，甚大阵列是地球上首屈一指的射电望远镜阵列之一，拥有 27 个天线，每个天线直径 25 米。而且它将比阿雷西博拥有更大的收集面积，阿雷西博是地球上最大的单碟天线。“即使在远小于完全建成的情况下，它也会超过阿雷西博，”Cordes 指出。仅使用大约 400 个天线，每个天线直径为 15 米，SKA 将拥有比阿雷西博更大的收集面积，同时无线电干扰也大大减少。
4 月 2 日，澳大利亚和南非景观中点缀的射电望远镜有一天会演变成由 3,000 个天线组成的庞大集群的愿景开始显得有些站不住脚了。九个国家的国家科学机构联盟正式签署了平方公里阵列协议，在英国的乔德雷尔班克天文台成立了创始委员会和项目办公室。但签署国名单中不包括美国国家科学基金会 (NSF)，此前预计 NSF 将为该项目贡献三分之一的资金。另外三分之一将来自欧洲——事实上，法国、德国、意大利、荷兰和英国确实签署了协议——最后三分之一将来自其余的国际合作伙伴。
“NSF 没有签署创始委员会协议，因为该协议包括承诺以显着提高的资金水平参与下一阶段，”NSF 天文学科学部门主任 James Ulvestad 在一封电子邮件中说。国家研究委员会 2010 年的一份报告旨在指导美国未来十年的天文学优先事项，该报告得出的结论是，除非美国关闭其他“高效设施”，否则在当前的财政环境下参与 SKA 是不可能的；Ulvestad 说，NSF 已经接受了这一结论。他指出，美国已经对 SKA 进行了投资，例如支持该项目的技术开发，“如果独立审查给予它们非常高的优先级，美国将继续在资金允许的情况下进行此类投资。”
在该决定宣布之前，Cordes 曾强调，SKA 将是一种模块化仪器——它在拥有 3,000 个天线的情况下会运行良好，但即使只有一个天线也可以进行科学研究。“我认为我们需要突破一些这些看法，”他说，SKA 是“这个价格标签高达数十亿美元的庞然大物”。