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下一代超级射电望远镜

2018-07-05 08:46:40  来源:光明日报

  在澳大利亚和非洲,包括中国在内的十多个国家的科技工作者正联合起来,为建造下一代超级射电望远镜(SKA)做准备。这将是人类有史以来建造的最庞大的天文观测设备,也是中国参加的第二大国际合作大科学工程。它汇集了人类在天文学、无线电、信息、通讯、计算机、机械制造等诸多领域的最新科技成果,将主导未来射电天文学50年的发展,有望催生多项重大科学发现,对自然科学和人类文明作出划时代的、革命性的贡献。

  人类有史以来最庞大的天文设备

  下一代射电望远镜——平方公里阵列射电望远镜(Square Kilometre Array,SKA)是人类有史以来建造的最庞大的天文设备,将开辟人类认识宇宙的又一新纪元。SKA集传统射电天文干涉技术和现代相控雷达技术为一体,体现诸多当代科学技术的最新和最高成就。

  SKA由大量小单元天线(2500面15米口径的蝶形天线,250个直径为60米的致密孔径阵和130万只对数周期天线)组成,汇集形成巨大的接收面积从而获得极高的灵敏度,将以千公里的基线获得极高的空间分辨率,将以纳秒级的采样获得精细的时间结构,将以10Pb/s的速率产生超越目前全球互联网总量的大数据,带动E级计算、通信和存储的技术革新。大视场、多波束、高动态、高分辨、大数据等一系列新概念催生的SKA,将颠覆射电天文学的传统研究手段,给天文学研究带来革命性和全新的理念。

  SKA将分别在澳大利亚和南非+非洲8国(编者注:以南非为核心的非洲8国)两个台址分阶段进行建设,总部设在英国。SKA第一阶段(SKA1)约建造10%的SKA,2019年开始建设,5年完成。第二阶段(SKA2)建设其余部分的SKA,预计2030年完成。SKA1将只建设反射面天线阵(中高频)和低孔径阵,致密孔径阵(中频)可能放到SKA2阶段进行建设。

  SKA具有更高的灵敏度、更大的视场、更高的频率和空间分辨率、更高效的巡天能力,以克服单口径射电望远镜的缺陷和不足。SKA的灵敏度能达到什么程度呢?若50光年以内有飞机飞过,我们能清晰地听到两个飞行员的对话。即便只完成10%的SKA,也将会是全球最卓越的射电望远镜,综合性能远超任何一部单口径射电望远镜。

  将开辟人类认识宇宙的新纪元

  SKA将揭示宇宙中诞生的第一代天体,重现宇宙从黑暗走向光明的历史进程;SKA将以宇宙最丰富的元素氢为信使,精确绘制宇宙最大的三维结构图像,检验暗物质和暗能量的基本属性,有助于驱散笼罩在21世纪自然科学上空的两朵乌云;SKA将发现银河系几乎所有的脉冲星,并有望发现第一个黑洞-脉冲星对,对引力理论做精确的检验;SKA将对数百颗毫米脉冲星精准测时,发现来自超大质量黑洞的引力波;SKA将重建宇宙磁场的结构,探知宇宙磁场的源头;SKA将探寻原始生命的摇篮,并寻找茫茫宇宙深处的知音;SKA也将探寻未知的宇宙,带来全新的科学发现。其中任何一个问题的突破,都将引起自然科学的重大革命。

  中国SKA科学团队由11个科学研究课题以及150多名天文学家构成,瞄准以下课题:

  优先科学领域之一:发挥十年从事低频射电探索“宇宙第一缕曙光”的经验,利用SKA1低频阵1000h的五个定点观测天区数据,直接抓捕宇宙第一代天体诞生和再电离的身影,再现宇宙的黎明。同时参加大天区的低频巡天,汇聚来自宇宙早期的微弱中性氢信号,从统计上揭示宇宙再电离时期的宇宙整体结构特性。

  优先科学领域之二:积极参与脉冲星的搜寻,并致力于发现毫秒脉冲星、脉冲星-脉冲星系统、脉冲星-黑洞系统等具有特别重要科学价值的事例以用于检验引力理论。将长期参加并逐步主导脉冲星阵列的测时工作,期望成为发现超大质量黑洞及其合并过程引力波辐射的主要贡献者。

  若干重要突破方向:充分利用SKA1极高灵敏度和大面积巡天的优势,开展中性氢21厘米宇宙学研究,揭示从黑洞、星系动力学直至宇宙大尺度结构的性质,检验暗物质和暗能量的特性;利用SKA快速巡天和极高时间分辨率的优势,探究暂现源(如快速射电暴、伽马暴、引力波源、黑洞)的物理本质,解释宇宙极端天体的秘密;绘制从星云到宇宙大尺度的磁场结构,追溯宇宙各层次的磁场起源。

  风险与挑战并存

  我们也清楚地意识到,作为国际天文学界史无前例的革命性大科学装置,SKA1在设计、建设、技术、科学、运行和管理等诸多方面也面临巨大风险和挑战。

  第一,高额的建造费用使得SKA1不断修订基线和紧缩预算,目前依旧存在20%的资金缺口,尚无有效的解决方案。加之各国出资比例远未定型,有可能会造成SKA1谈判的艰巨性,导致建设的进一步延误。

  第二,因为建设时间多次推迟,给其他一些类似天文观测设备,如美国瞄准宇宙再电离探测的HERA望远镜阵赢得了充足的时间,SKA1设定的一些有限科学目标可能失去先进性和科学价值。

  第三,中国SKA科学团队目前还没有完全掌握SKA的关键数据处理技术,如干涉阵高动态成图、多波束成像和低频脉冲星寻找等,缺少自主射电干涉天文软件,将在国际竞争中处于极其不利的低位,影响既定科学目标的实现。

  第四,SKA1观测运行机制尚未确立,中国SKA科学团队能否领先或主导SKA1一些首要科学任务还不清楚。

  中国作为SKA主要成员国之一,将以大国风范和责任以及对卓越科学目标势在必得的追求,在其中发挥越来越重要的作用,并获得丰厚的科学回报。参加SKA将是中国天文学发展的里程碑,经过充分准备的中国SKA团队会肩负时代重任,迎难而上、不负使命、迎接挑战,在探索未知和神秘的宇宙中创造奇迹、铸造辉煌。

  (作者:武向平,系中国科学院院士、中国科学院国家天文台研究员)

编辑:张苇柠

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