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中国、英国、西班牙等国科学家参与建设全球最大综合孔径射电望远镜SKA

探秘宇宙有支国际联队

2018-07-05 10:52    

SKA首台天线样机。新华社记者 牟 宇摄(资料图片)

日前,经过国际平方公里阵列射电望远镜(SKA)组织各成员国一致同意,西班牙正式成为SKA组织的第十一位成员。在此之前,参与SKA的核心成员国有10个,分别是英国、中国、澳大利亚、加拿大、印度、意大利、新西兰、南非、瑞典和荷兰。

SKA始于上世纪90年代初,是国际天文界计划建造的世界最大综合孔径射电望远镜,也将成为人类有史以来建造的最庞大的天文设备。它是中国参与、多国合作、共同出资的国际大科学工程。全球约20个国家上百所大学和科研机构的天文学家和工程师参与项目研发。中国科学院国家天文台研究员秦波说:“目前,SKA已处于建设准备阶段末期,预计在2020年开始第一阶段的建设。”

将在约3000公里荒野中,建设3套在不同无线电频段工作的天线阵

与“哈勃”等光学望远镜不同,SKA并非通过光学镜头捕捉可见光,而是利用大型天线接收来自宇宙天体不同波长的无线电波来进行天文学研究的射电望远镜。

按计划,SKA将在约3000公里的广袤荒野中,建设2500面15米口径反射面天线阵、130万个天线单元组成的低频阵及250个直径60米的中频孔径阵共计三套独立的天线阵,分别工作在不同的无线电频段。组成阵列的射电望远镜总接收面积达平方公里量级。

秦波介绍,对于射电望远镜来说,灵敏度和巡天速度是非常重要的两个指标。灵敏度越高,天线“看”得就越远,探测宇宙中最微弱信号的能力越强;巡天速度越快,天线“扫描”和“观测”同一天区的速度就越快,工作效率就越高。他表示,“SKA将成为地球上最大、最先进的一套天文科学设施。它比目前世界上最灵敏的射电望远镜阵列——美国JVLA的灵敏度提高50倍,巡天速度提高1万倍。建成后的SKA,其性能在本世纪将保持几十年的领先地位。”

作为人类有史以来建造的最庞大的天文设备,SKA的观测能力和作用也是前所未有的强大。秦波说:“通过利用SKA观测宇宙天体,天文学家希望能够回答人类认识宇宙的一些基本问题,特别是关于第一代天体如何形成、星系演化、宇宙磁场、引力的本质、地外生命与地外文明、暗物质和暗能量等。”

中国科学院院士武向平说:“SKA以追求突破性科学发现为目标和动力,有望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。”

2016年9月,有着中国“天眼”之称的500米口径球面射电望远镜(FAST)落成,开创了建造巨型射电望远镜的新模式。秦波说:“FAST灵敏度可以和SKA第一阶段的灵敏度相媲美,甚至有可能超越它。但是,FAST属于单口径射电望远镜,而SKA作为一个阵列,其最长基线达3000公里,仅仅第一阶段达到的空间分辨率就是FAST的528倍。这就像FAST可以看到朦胧的一张人脸,而SKA则可以把人的眼睫毛看得清清楚楚。”

秦波也表示,FAST事实上起源于我国参加SKA过程中发展出的中国SKA概念,FAST作为世界最大的单天线望远镜,与SKA在建设时间上有先后,在科学观测上可形成互补,“两者结合,可形成大样本搜寻和暗弱目标重点观测的优势互补。”

我国全程参与了SKA项目的所有环节,并在其中扮演重要角色

SKA项目是中国继参与国际热核聚变实验堆(ITER)计划之后,参与的第二大国际大科学工程。

1993年,在日本东京第二十四届国际无线电科学联盟大会上,包括中国在内的10国天文学家联合倡议:筹划建造下一代大射电望远镜LT(Large Telescope,1999年易名SKA)。其后,中国又提出了SKA的具体建设方案,成为当时的5个候选方案之一,并竞争SKA台址国。2011年,SKA国际组织在罗马正式创立。中国是当时9个创始国之一,国家天文台代表中国在罗马签字。

2012年,SKA双台址方案得到SKA组织成员国一致通过。SKA望远镜的两个台址国分别为澳大利亚和南非,总部设在英国。其中高中频天线阵将建在以南非为核心、包含其他8个南部非洲国家的非洲大陆,低频天线阵将建在澳大利亚的西澳洲。

秦波说:“与参加ITER项目不同的是,SKA项目是我国参加的首个从项目发起和酝酿到国际组织创建,从基本规则和条约的制定到项目建设和运行,均全程参与并扮演重要角色的国际大科学计划。”

据介绍,SKA的建设采取分阶段方法,前期是建设准备阶段,正式建设阶段包括SKA1和SKA2两个阶段。SKA1建设约10%的体量,计划在2020年开工,历时5年;第二阶段建设其余的部分,预计在2030年后完成全部建设。

“2012年9月,国务院出文批准中国正式参加SKA项目的建设准备阶段,中国科学技术部代表中国参加国际SKA组织。”秦波说,“建设准备阶段主要包括详细设计、工程研发、合同准备以及国际组织创建、规则制定、出资谈判等工作,主要是为了后期建设做好准备,目前已进入尾声。”

在建设准备阶段,国际SKA组织向全球发布11个工作包任务,中国目前参与了其中7个工作包的竞标。

“天线工作包是其中最大、工程造价最高的工作包。经过几轮激烈竞争,最终中国的‘天线解决方案’脱颖而出,成为唯一候选方案,中国也成为天线工作包联盟的主席。”秦波说,“今年2月,中国电子科技集团公司第54研究所已成功研制出SKA首台天线样机SKA—P,在多个领域综合性能都实现了国际领先。”

参与国际大科学项目,有助于提升相关技术自主创新能力

专家们普遍认为,中国持续参与SKA国际大科学工程,一方面满足国家科技和高新技术产业发展需求。另一方面,通过参与该项目,中国可跻身国际射电天文科学前沿,提升相关技术自主创新能力,获得国际大科学工程建设、管理经验和相关技术成果。

秦波说:“SKA体现了许多当代科学技术的最新和最高成就,将推动全球制造、通信、计算、能源等一系列产业迅速发展。中国相关产业界已具有一定的技术储备和工程经验,有能力参与该项目技术研发,并将相关成果应用到国家重大需求领域。”

通过参与SKA项目建设,中国的科研人才队伍也将进一步得到培育和壮大。秦波说:“由于历史原因,中国射电天文基础、相关技术以及人才储备相对较弱,通过与射电天文强国合作,可以通过科研人员互访、联合培养博士生等方式促进我国年轻一代人才的成长。目前与总部国英国和台址国澳大利亚联合培养SKA博士生的‘SKA人才培养专项’已取得不错的效果。”

据了解,SKA1建成后,各成员国可以按照出资贡献按比例获得一定的望远镜观测时间,可以分享SKA获得的各项原始数据。

秦波说:“中国的科学团队还计划建设SKA区域数据中心,并使之逐步过渡到SKA亚太科学和数据中心,成为国际SKA科学研究和数据分析的一个重要节点。这样中国科学家在国内就能更便捷地使用数据产出科学成果,也将吸引国际伙伴来中国进行科学研究和交流。”

《 人民日报 》( 2018年07月05日 12 版)

【采编 郑强】原标题:中国、英国、西班牙等国科学家参与建设全球最大综合孔径射电望远镜SKA

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