探秘宇宙有支國際聯隊
2018-07-12 17:22:19  来源:网络382

探秘宇宙有支國際聯隊

日前,經過國際平方公裏陣列射電望遠鏡(SKA)組織各成員國一致同意,西班牙正式成為SKA組織的第十一位成員。在此之前,參與SKA的核心成員國有10個,分別是英國、中國、澳大利亞、加拿大、印度、意大利、新西蘭、南非、瑞典和荷蘭。

SKA始於上世紀90年代初,是國際天文界計劃建造的世界最大綜合孔徑射電望遠鏡,也將成為人類有史以來建造的最龐大的天文設備。它是中國參與、多國合作、共同出資的國際大科學工程。全球約20個國家上百所大學和科研機構的天文學家和工程師參與項目研發。中國科學院國家天文臺研究員秦波說:“目前,SKA已處於建設準備階段末期,預計在2020年開始第一階段的建設。”

將在約3000公裏荒野中,建設3套在不同無線電頻段工作的天線陣

與“哈勃”等光學望遠鏡不同,SKA並非通過光學鏡頭捕捉可見光,而是利用大型天線接收來自宇宙天體不同波長的無線電波來進行天文學研究的射電望遠鏡。

按計劃,SKA將在約3000公裏的廣袤荒野中,建設2500面15米口徑反射面天線陣、130萬個天線單元組成的低頻陣及250個直徑60米的中頻孔徑陣共計三套獨立的天線陣,分別工作在不同的無線電頻段。組成陣列的射電望遠鏡總接收面積達平方公裏量級。

秦波介紹,對於射電望遠鏡來說,靈敏度和巡天速度是非常重要的兩個指標。靈敏度越高,天線“看”得就越遠,探測宇宙中最微弱信號的能力越強;巡天速度越快,天線“掃描”和“觀測”同一天區的速度就越快,工作效率就越高。他表示,“SKA將成為地球上最大、最先進的一套天文科學設施。它比目前世界上最靈敏的射電望遠鏡陣列——美國JVLA的靈敏度提高50倍,巡天速度提高1萬倍。建成後的SKA,其性能在本世紀將保持幾十年的領先地位。”

作為人類有史以來建造的最龐大的天文設備,SKA的觀測能力和作用也是前所未有的強大。秦波說:“通過利用SKA觀測宇宙天體,天文學家希望能夠回答人類認識宇宙的一些基本問題, 特別是關於第一代天體如何形成、星系演化、宇宙磁場、引力的本質、地外生命與地外文明、暗物質和暗能量等。”

中國科學院院士武向平說:“SKA以追求突破性科學發現為目標和動力,有望揭示宇宙中誕生的第一代天體,重現宇宙從黑暗走向光明的歷史進程。”

2016年9月,有著中國“天眼”之稱的500米口徑球面射電望遠鏡(FAST)落成,開創了建造巨型射電望遠鏡的新模式。秦波說:“FAST靈敏度可以和SKA第一階段的靈敏度相媲美,甚至有可能超越它。但是,FAST屬於單口徑射電望遠鏡,而SKA作為一個陣列,其最長基線達3000公裏,僅僅第一階段達到的空間分辨率就是FAST的528倍。這就像FAST可以看到朦朧的一張人臉,而SKA則可以把人的眼睫毛看得清清楚楚。”

秦波也表示,FAST事實上起源於我國參加SKA過程中發展出的中國SKA概念,FAST作為世界最大的單天線望遠鏡,與SKA在建設時間上有先後,在科學觀測上可形成互補,“兩者結合,可形成大樣本搜尋和暗弱目標重點觀測的優勢互補。”

我國全程參與了SKA項目的所有環節,並在其中扮演重要角色

SKA項目是中國繼參與國際熱核聚變實驗堆(ITER)計劃之後,參與的第二大國際大科學工程。

1993年,在日本東京第二十四屆國際無線電科學聯盟大會上,包括中國在內的10國天文學家聯合倡議:籌劃建造下一代大射電望遠鏡LT(Large Telescope,1999年易名SKA)。其後,中國又提出了SKA的具體建設方案,成為當時的5個候選方案之一,並競爭SKA臺址國。2011年,SKA國際組織在羅馬正式創立。中國是當時9個創始國之一,國家天文臺代表中國在羅馬簽字。

2012年,SKA雙臺址方案得到SKA組織成員國一致通過。SKA望遠鏡的兩個臺址國分別為澳大利亞和南非,總部設在英國。其中高中頻天線陣將建在以南非為核心、包含其他8個南部非洲國家的非洲大陸,低頻天線陣將建在澳大利亞的西澳洲。

秦波說:“與參加ITER項目不同的是,SKA項目是我國參加的首個從項目發起和醞釀到國際組織創建,從基本規則和條約的制定到項目建設和運行,均全程參與並扮演重要角色的國際大科學計劃。”

據介紹,SKA的建設采取分階段方法,前期是建設準備階段,正式建設階段包括SKA1和SKA2兩個階段。SKA1建設約10%的體量,計劃在2020年開工,歷時5年;第二階段建設其余的部分,預計在2030年後完成全部建設。

“2012年9月,國務院出文批準中國正式參加SKA項目的建設準備階段,中國科學技術部代表中國參加國際SKA組織。”秦波說,“建設準備階段主要包括詳細設計、工程研發、合同準備以及國際組織創建、規則制定、出資談判等工作,主要是為了後期建設做好準備,目前已進入尾聲。”

在建設準備階段,國際SKA組織向全球發布11個工作包任務,中國目前參與了其中7個工作包的競標。

“天線工作包是其中最大、工程造價最高的工作包。經過幾輪激烈競爭,最終中國的‘天線解決方案’脫穎而出,成為唯一候選方案,中國也成為天線工作包聯盟的主席。”秦波說,“今年2月,中國電子科技集團公司第54研究所已成功研制出SKA首臺天線樣機SKA—P,在多個領域綜合性能都實現了國際領先。”

參與國際大科學項目,有助於提升相關技術自主創新能力

專家們普遍認為,中國持續參與SKA國際大科學工程, 一方面滿足國家科技和高新技術產業發展需求。另一方面,通過參與該項目,中國可躋身國際射電天文科學前沿, 提升相關技術自主創新能力, 獲得國際大科學工程建設、管理經驗和相關技術成果。

秦波說:“SKA體現了許多當代科學技術的最新和最高成就,將推動全球制造、通信、計算、能源等一系列產業迅速發展。中國相關產業界已具有一定的技術儲備和工程經驗, 有能力參與該項目技術研發,並將相關成果應用到國家重大需求領域。”

通過參與SKA項目建設,中國的科研人才隊伍也將進一步得到培育和壯大。秦波說:“由於歷史原因,中國射電天文基礎、相關技術以及人才儲備相對較弱,通過與射電天文強國合作,可以通過科研人員互訪、聯合培養博士生等方式促進我國年輕一代人才的成長。目前與總部國英國和臺址國澳大利亞聯合培養SKA博士生的‘SKA人才培養專項’已取得不錯的效果。”

據了解,SKA1建成後,各成員國可以按照出資貢獻按比例獲得一定的望遠鏡觀測時間,可以分享SKA獲得的各項原始數據。

秦波說:“中國的科學團隊還計劃建設SKA區域數據中心,並使之逐步過渡到SKA亞太科學和數據中心,成為國際SKA科學研究和數據分析的一個重要節點。這樣中國科學家在國內就能更便捷地使用數據產出科學成果,也將吸引國際夥伴來中國進行科學研究和交流。”

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