“我們積極參與國際大科學(xué)工程，堅持自主研究和國際合作相結(jié)合，以實現(xiàn)望遠(yuǎn)鏡單口徑和干涉陣列的協(xié)同發(fā)展?！蔽湎蚱奖硎?，“不過，中國參加SKA的主要目的是追求宏偉科學(xué)目標(biāo)和取得豐碩的科學(xué)回報，那也是我們參加SKA的最終目的。”
浩瀚蒼穹，帶給人類永恒的好奇；仰望星空，離不開功能強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡。
近日，中國科學(xué)院大學(xué)玉泉路校區(qū)禮堂里，來自國科大的學(xué)生和社會各界人士濟(jì)濟(jì)一堂，以“遙望宇宙的巨眼“為主題的天文講座在這里舉行。
國際大科學(xué)工程“平方公里陣列射電望遠(yuǎn)鏡”（SKA）的中國首席科學(xué)家、中國科學(xué)院院士武向平詳細(xì)介紹了SKA的相關(guān)發(fā)展歷程與科學(xué)目標(biāo)，引起全場熱烈掌聲。
SKA：完全數(shù)字化的望遠(yuǎn)鏡
一直以來，人們探索宇宙空間的腳步從未停止，望遠(yuǎn)鏡則是人們遙望宇宙的“巨眼”。
目前，全世界的望遠(yuǎn)鏡可連起來組成通信網(wǎng)絡(luò)，可以說地球直徑有多大，望遠(yuǎn)鏡分辨率就有多高。面對遍地的“眼睛”，為什么科學(xué)家還要不遺余力地興建如此龐大的“巨眼”工程呢？
武向平介紹，因為望遠(yuǎn)鏡分布在世界各個角落，工作時需依賴原子鐘計時。“望遠(yuǎn)鏡觀測同一目標(biāo)時既要記錄信號也要記錄時間，不同的時間在干涉研究前需事先轉(zhuǎn)換，影響效率。此外，所有的望遠(yuǎn)鏡都是靠機(jī)械轉(zhuǎn)動跟蹤目標(biāo)。過去的雷達(dá)是靠機(jī)械轉(zhuǎn)動跟蹤目標(biāo)，而現(xiàn)在的雷達(dá)已經(jīng)發(fā)展到線控雷達(dá)，用數(shù)字線控指向跟蹤目標(biāo)，可提高觀測效率?！?/p>
那么，能否把望遠(yuǎn)鏡的傳統(tǒng)干涉技術(shù)與線控雷達(dá)技術(shù)相結(jié)合，建造一臺信息化時代的射電望遠(yuǎn)鏡？天文學(xué)家陷入了沉思。為此，包括中國在內(nèi)的十多個國家共同組成了平方公里陣列射電望遠(yuǎn)鏡國際組織，平方公里陣列射電望遠(yuǎn)鏡（SKA）應(yīng)運(yùn)而生。
講座上，武向平向同學(xué)們展示了SKA的場景圖示。屏幕上，數(shù)千面天線從一口口“大鍋”向外呈旋臂狀鋪展，延伸著長長的“觸角”，尤為壯觀。
“望遠(yuǎn)鏡的建設(shè)過程就如同造‘鍋’。我們建造了2500個15米大小的‘鍋’，組成了一個5公里的中心致密陣列，并延伸到3000公里形成一個更大的場景極限?！蔽湎蚱浇榻B，中心部分擁有三種天線，分別為高頻波段天線、偶極天線和中頻波段天線。
可別小看這些天線，即使是再簡單的小天線都接有對應(yīng)的智能接收機(jī)，使其信號數(shù)字化。
“所有的天線都是數(shù)字化的，在當(dāng)?shù)亓⒓催M(jìn)行多波束合成。這些波束的每一個頻道，同時傳到中央處理器，數(shù)據(jù)量巨大，這是完全數(shù)字化的望遠(yuǎn)鏡。”武向平說，“130萬個天線都數(shù)字化后，數(shù)據(jù)量是全球因特網(wǎng)流量的一百倍，可謂是真正的大數(shù)據(jù)望遠(yuǎn)鏡?！?/p>
探索奧秘的神器
然而，建設(shè)SKA這樣龐大的一個宏觀設(shè)備僅僅是追求技術(shù)突破，以驗證天線能否工作嗎？答案是否定的。武向平告訴《中國科學(xué)報》，該“神器”擔(dān)負(fù)著探索宇宙的重大使命，且任務(wù)眾多。
他介紹，科學(xué)家們?yōu)镾KA定出了兩個優(yōu)先科學(xué)目標(biāo)，一是看到宇宙第一縷曙光，即尋找宇宙中第一個形成的天體；二是尋找脈沖星，驗證引力理論是否正確。
“SKA要在宇宙中尋找非常致密的天體，檢驗引力理論，特別是檢驗廣義相對論是否正確，要探測超大質(zhì)量黑洞的引力波。我們希望解決宇宙的磁場起源問題，看到宇宙第一縷曙光，即恒星從哪里來，并 探索暗物質(zhì)和暗能量的本質(zhì)問題?！彼f。
武向平告訴記者：“這個望遠(yuǎn)鏡非常靈敏，五十光年范圍內(nèi)有一架飛機(jī)飛過，飛行員通話的聲音我們都可以聽到。我們希望十年以后可以回答這么一個問題：是否在五十光年范圍內(nèi)存在地外文明。同時，我們還想尋找適合人類居住的星球，特別在射電波段是否有大分子的存在，尤其是有機(jī)分子，比如蛋白質(zhì)和氨基酸等?！?/p>
帶著一系列任務(wù)目標(biāo)，眾多國際科學(xué)技術(shù)人員投身于這項宇宙探索工程，參與和協(xié)作建造、共同運(yùn)行和管理SKA。
據(jù)悉，SKA將分別在澳大利亞和南非/非洲八國的兩個臺址分階段進(jìn)行建設(shè)。第一階段建設(shè)于2019年開始，歷時5年完成約10%的體量；第二階段將建設(shè)其余的部分，預(yù)計于2030年全部完成。此工程被認(rèn)為將推動全球制造、通信、計算、能源等一系列產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展。
科學(xué)研究進(jìn)入大科學(xué)時代
作為中國參與的第二大國際合作大科學(xué)工程，SKA是迄今為止計劃建造的最宏偉的天文觀測設(shè)備，將主導(dǎo)未來射電天文學(xué)50年的發(fā)展命脈，蘊(yùn)涵多項重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)，對自然科學(xué)和人類文明做出劃時代的和革命性的貢獻(xiàn)。
SKA是超越國界的全球大科學(xué)裝置，是體現(xiàn)“構(gòu)建人類命運(yùn)共同體”的科研實踐行動。SKA不僅能給中國在基礎(chǔ)科學(xué)前沿領(lǐng)域帶來豐厚和突破性的回報，也是中國科技長遠(yuǎn)發(fā)展的全球布局。
他介紹，中國的科學(xué)團(tuán)隊還計劃建設(shè)區(qū)域數(shù)據(jù)中心，并使之逐步過渡到SKA亞太科學(xué)和數(shù)據(jù)中心以及未來的國際SKA科學(xué)和數(shù)據(jù)中心?！斑@樣中國科學(xué)家不出國門，就能便捷使用數(shù)據(jù)產(chǎn)出科學(xué)成果，并吸引國際伙伴來中國進(jìn)行科學(xué)研究和交流?！?/p>
據(jù)了解，近年來中國建成或正在建設(shè)一批大科學(xué)工程。隨著國務(wù)院正式印發(fā)《積極牽頭組織國際大科學(xué)計劃和大科學(xué)工程方案》，中國駛?cè)肓藸款^組織國際大科學(xué)計劃和大科學(xué)工程的“快車道”。除SKA外，力爭給人類帶來無限的清潔能源的國際熱核聚變實驗堆計劃、探尋生命奧秘的人類基因組計劃等各類項目如雨后春筍般涌現(xiàn)。
“我們積極參與國際大科學(xué)工程，堅持自主研究和國際合作相結(jié)合，以實現(xiàn)望遠(yuǎn)鏡單口徑和干涉陣列的協(xié)同發(fā)展。”武向平表示，“不過，中國參加SKA的主要目的是追求宏偉科學(xué)目標(biāo)和取得豐碩的科學(xué)回報，那也是我們參加SKA和最終目的?！?/p>
（文/中國科學(xué)報·程唯珈）
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