一文讀懂:中國參建的平方公裡陣列射電望遠鏡「觀天巨眼」有多牛?

2020-12-13 新華社新媒體

新華社北京9月26日電(記者張建松)9月26日,《新華每日電訊》刊載題為《有望再現「宇宙黎明」,繪製「宇宙地圖」——我國參建的平方公裡陣列射電望遠鏡「觀天巨眼」有多牛》的報導。

在南半球的澳大利亞、南非以及南部非洲的8個國家,2020年將開始建設世界最大綜合孔徑望遠鏡——平方公裡陣列射電望遠鏡(SKA)。SKA由全球十多個國家計劃合資建造,中國是發起國之一。目前,面向全球的項目布局、科學準備、工程技術研發、人才培養等工作正全面推進。我國部署的SKA前期數據處理系統建設和相關科學預研,日前在上海正式啟動。

打造史上最牛的「觀天巨眼」

浩瀚蒼穹,帶給人類永恆的好奇；仰望星空,離不開功能強大的望遠鏡。

國際大科學工程-平方公裡陣列射電望遠鏡(SKA),以大量的小單元天線匯聚實現綜合孔徑射電幹涉成像,總接收面積達一平方公裡,是人類有史以來建造的最宏大的望遠鏡。

SKA由130萬個對數周期天線組成的低頻陣列(位於澳大利亞西部沙漠的無線電寧靜區域)和2500面碟形天線組成的中頻陣列(位於南非及南部非洲8個國家)兩部分組成。建成後,將比目前世界上最大的射電望遠鏡陣列靈敏度提高約50倍、巡天速度提高約10000倍,堪稱史上最牛的「觀天巨眼」。

平方公裡陣列射電望遠鏡的第一階段(SKA1)將於2020年開始建設,計劃完成大約10%的建設任務,包括在南非建造197面碟形天線、在澳大利亞建造約13萬臺低頻陣列天線。

大科學裝置為人類認識宇宙提供重要機遇。SKA建成後,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；有望以宇宙最豐富元素「氫」為信使,繪製宇宙最大的三維結構圖；有望發現銀河系幾乎所有的脈衝星、發現來自超大質量黑洞產生的引力波、重建宇宙磁場的結構、探知宇宙磁場的源頭；還有望揭開原始生命的搖籃,尋找茫茫宇宙深處的知音……

中國SKA科學目標和發展路線圖

據SKA中國首席科學家武向平院士介紹,作為SKA國際大家庭的一員,中國SKA科學家團隊經過廣泛徵詢、充分論證和頂層設計,現已確立了中國SKA科學目標和發展路線圖。即在第一階段,確保兩個優先突破領域和若干個具有特色的研究方向,概括為「2+1」推進戰略。

兩個優先領域分別是:利用SKA1低頻陣列,直接抓捕宇宙第一代天體「再電離」的身影,再現「宇宙黎明」；積極參與脈衝星的搜索,並致力於發現毫秒脈衝星、脈衝星-脈衝星系統、脈衝星-黑洞系統等具有重要科學價值的事例,以用於驗證引力理論。

此外,中國SKA科學團隊還確定了若干重要突破方向:利用SKA極高靈敏度和大面積巡天優勢,開展中性氫21cm宇宙學研究,揭示從黑洞、星系動力學甚至宇宙大尺度結構的性質,檢驗暗物質和暗能量的特性；利用SKA快速巡天和極高時間解析度的優勢,探究「暫現源」(如快速射電暴、伽瑪暴、引力波源)的物理本質,揭示宇宙極端天體的秘密；繪製從星雲到宇宙大尺度的磁場結構,追溯宇宙各層次的磁場起源。

武向平表示,圍繞核心科學目標的實施,中國SKA科學團隊由11個科學研究課題構成。由中國科學院牽頭,聯合高校和各研究院所,廣泛深入開展國際合作,特別是與SKA兩個臺址國以及各SKA探路者聯合體建立戰略夥伴關係,在中國SKA區域中心基礎上進一步推動和建設SKA亞太區域中心,集聚全球頂尖人才,使中國成為未來SKA人才最嚮往的國際科研中心之一。

SKA前期數據處理系統建設在滬啟動

在科技部國家重點研發計劃大科學裝置專項的支持下,平方公裡陣列射電望遠鏡(SKA)前期數據處理系統建設和相關科學預研,日前在上海正式啟動。

據項目負責人、中國科學院上海天文臺洪曉瑜研究員介紹,SKA前期數據處理系統建設和相關科學預研,共分為三個大課題。將以我國自主建設的低頻望遠鏡陣列21CMA和澳大利亞低頻望遠鏡陣列MWA的實測數據為基礎,為SKA的首要科學目標「宇宙再電離成像」的觀測研究做準備；將完成低頻射電幹涉大視場、高動態、多波束的成像處理軟體；同時建設中國SKA區域中心數據處理系統的原型機。

作為下一代擔當引領作用的射電天文觀測設施,SKA不僅承載孕育世界級科研成果的使命,還將產生世界上前所未有的超大數據量。據估計,僅按照全部規模10%來建造的第一階段,科學處理器所需要的計算能力,就相當於我國超級計算機「天河二號」的8倍、「神威·太湖之光」的3倍。如此龐大的數據還需要深度分析和加工後才能被科學家使用,這些工作是要由分布於幾大洲的區域數據中心合作完成。

在SKA中國首席科學家武向平院士帶領下,中國SKA科學團隊計劃在上海建設中國SKA區域中心,主要包括科學中心和數據中心。中國SKA數據中心將作為國際上幾個大型區域數據中心之一,一方面承擔一定份額的SKA數據處理和存儲的國際義務,另一方面重點為中國乃至亞洲區域科學用戶提供必要的計算和數據存儲資源以及技術支持。中國SKA科學中心將為數據中心的建設和運行,提供科學指導以及研發天文軟體。

目前,上海天文臺正全力推進中國SKA區域中心建設,加快原型系統建設和人才培養。據課題負責人、上海天文臺安濤研究員介紹,現上海天文臺已與澳大利亞的SKA先導望遠鏡數據中心之間建立了端對端的直連互通,成功研製了符合SKA數據處理特點的原理樣機,完成了SKA核心軟體的大規模集成測試,為國際SKA區域中心的建設做貢獻。

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