從未如此清晰認識宇宙 世界最大望遠鏡能看多遠多清?

「我現在想奮鬥兩件事,其中一件是SKA(平方公里陣列射電望遠鏡)到中國來,上海要爭取做它的科學與數據的地區中心,這個地區最低限度是中國,再大一點是亞洲,再大一點是亞太。」

這是92歲的中國科學院院士、中科院上海天文台研究員葉叔華近幾年最大的夢想之一。

夢想在今年3月真正照進了現實。

在義大利羅馬,中國、澳大利亞、義大利、荷蘭、葡萄牙、南非和英國這七個「平方公里陣列射電望遠鏡(SKA)」項目的創始成員國,簽署了成立政府間國際組織的SKA天文台公約,標誌著中國將深度參與世界最大綜合孔徑射電望遠鏡項目。

正如那句著名諺語「羅馬不是一天建成」,SKA天文台的簽約,也包含著中國天文學家數十年的努力和創新。

中國是SKA創始成員國中的唯一亞洲代表。

而上海,正在代表中國,

努力建設SKA國際陣營的亞洲高地。

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從未如此清晰認識宇宙

410年前的一個秋天,也是在義大利,伽利略製作出了一個放大倍數為32倍的望遠鏡。他將鏡頭首次對準了月球,這是人類首次對月面進行科學觀測。

那麼,SKA又將帶給人類怎樣的驚喜?

射電望遠鏡是用來接收和研究宇宙中天體微弱的射電波,可以測量天體射電的強度、頻譜及偏振等量,研究宇宙的形成、天體的演化等等。」中科院上海天文台研究員洪曉瑜介紹,「射電望遠鏡有兩個象徵性指標:靈敏度和分辨率。

射電望遠鏡有超高探測靈敏度,它的計量單位為央斯基,相當於一萬公里以外的手機信號。目前射電望遠鏡能探測到的靈敏度是百萬分之一的央斯基,相當於能接受到火星上的手機信號,是天文學觀測中靈敏度最高的觀測手段。

或許你還記得在嫦娥系列衛星「奔月」之路上立下汗馬功勞的甚長基線干涉測量(VLBI)網——其測量分辨率等效於口徑3000多公里的「超級望遠鏡」。VLBI是目前天文觀測中分辨本領最高的觀測手段。「與單口徑望遠鏡相比較,綜合孔徑陣的分辨率不再取決於單台望遠鏡口徑的大小,而是取決於兩個望遠鏡的最大間距,間距越大,分辨率越高;而它的靈敏度,不再取決於單台望遠鏡的接收面積,而是所有望遠鏡接收面積總和。綜合孔徑可以擁有高分辨率、高靈敏度。SKA是把這種思想發揮到極致 ,使我們在射電波段能‘看’到更遠、更清晰的宇宙天體。」洪曉瑜表示。

平方公里陣列射電望遠鏡是國際天文界計劃建造的最龐大的天文觀測設備,以大量小單元天線匯聚做到綜合孔徑射電干涉成像,其總接收面積達一平方公里,靈敏度比目前最大射電望遠鏡提高50倍、搜尋速度比目前陣列提高100倍,將為人類認識宇宙提供重大機遇。

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積極貢獻中國科學方案

SKA是繼國際熱核聚變實驗堆之後中國參與的第二個國際大科學工程,也是中國參加的首個從項目醞釀、發起、國際組織創建和規則制定,一直到項目管理和建設,均全程參與並扮演重要角色的國際大科學工程

「SKA概念的提出最早可以追溯到1993年,包括中國在內十個國家的天文學家聯合發起倡議。」洪曉瑜回憶,「從2008年起的四年里,SKA科學目標工作組和望遠鏡系統初步設計工作展開,形成了SKA項目執行計劃書,大陸科學家和技術工程人員積極參與其中,發揮了重要的作用。」

2012年起,SKA進入建設準備階段。

在科學目標方面,由SKA中國首席科學家武向平院士領銜的團隊形成了十個研究方向和一個特色領域,最終匯集成46萬字的《中國SKA科學白皮書》,成為中國參與SKA的重要科學依據和指導性文件。在技術方面,「大陸也積極參與SKA建設準備階段研發任務,承擔了低頻孔徑陣列、反射面天線、信號與數據傳輸、科學數據處理等工作,對SKA的技術發展、關鍵技術突破和方案的確定發揮了至關重要的作用。」洪曉瑜介紹。

中國主導的反射面天線方案

被確定為SKA反射面的唯一方案,

而大陸主導的高精度參考頻率分發

與同步技術研究方案將

被SKA在澳大利亞低頻陣列所採用。

SKA將分階段建設,第一階段預計2020年底開工建設,2027年左右完工,建設和運行費用可能約16億歐元,第一階段建成後將具備10%的SKA能力,屆時也將是世界最大的望遠鏡;剩餘望遠鏡單元將在第二階段建設,2030年後全部建成。

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穩步打造SKA亞洲中心

SKA天文台的建設規劃中只產生預處理的數據,可這些數據無法直接開展研究,這就需要建設區域中心來承擔數據分析的工作。「建設中國SKA區域中心是大陸科學家參與SKA並取得科學成果的基本保障。目前只有中國、歐洲和澳大利亞啟動了區域中心的先導項目。」洪曉瑜說,「中科院上海天文台很早就投入中國SKA區域中心的籌備。我們將牽頭國內科研院所和企業,大力推動在上海建設中國SKA區域中心。」

從上世紀70年底開始,上海天文台就負責大陸的甚長基線干涉測量(VLBI)的技術發展、觀測運行和科學研究,積累了豐富的干涉測量寶貴經驗,在國際VLBI研究領域有很重要的地位。「我們將VLBI技術應用到大陸探月工程的測軌工作,為嫦娥工程的圓滿成功做出了重要貢獻。這些技術方法和積累對SKA數據後期處理和科學研究大有幫助。」洪曉瑜自豪地表示。

近年來,上海天文台積極組織科研人員參與SKA區域中心的籌備工作,並大力引進優秀人才,開展了卓有成效的國際合作。如今,上海天文台已形成了初具規模的SKA科研團隊,開展了SKA早期科學研究和大陸SKA數據中心原型機的建設準備,並研制了首個SKA數據處理原理樣機。「我們還完成了SKA核心軟件的聯合開發和大規模集成測試,推動數據中心大型核心軟件的工程化進程。」

上海已成為SKA版圖的一個重要地標。

今年11月,SKA工程大會也將來到這里。屆時,全世界SKA工程技術人員將集聚申城,共商SKA工程技術問題,並部署後期工作。

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圖片:視覺中國

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