SKA第一階段的望遠(yuǎn)鏡示意圖，包括由近200面碟型天線(xiàn)組成的中頻陣，以及由13萬(wàn)個(gè)低頻天線(xiàn)組成的低頻陣。圖片來(lái)源：中科院國(guó)家天文臺(tái)

“我們積極參與國(guó)際大科學(xué)工程，堅(jiān)持自主研究和國(guó)際合作相結(jié)合，以實(shí)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(guò)，中國(guó)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(bào)，那也是我們參加SKA的最終目的。”

■本報(bào)見(jiàn)習(xí)記者 程唯珈

浩瀚蒼穹，帶給人類(lèi)永恒的好奇；仰望星空，離不開(kāi)功能強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡。

近日，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)玉泉路校區(qū)禮堂里，來(lái)自國(guó)科大的學(xué)生和社會(huì)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(guó)際大科學(xué)工程“平方公里陣列射電望遠(yuǎn)鏡”（SKA）的中國(guó)首席科學(xué)家、中國(guó)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(chǎng)熱烈掌聲。

SKA：完全數(shù)字化的望遠(yuǎn)鏡

一直以來(lái)，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(lái)組成通信網(wǎng)絡(luò)，可以說(shuō)地球直徑有多大，望遠(yuǎn)鏡分辨率就有多高。面對(duì)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?yàn)橥�遠(yuǎn)鏡分布在世界各個(gè)角落，工作時(shí)需依賴(lài)原子鐘計(jì)時(shí)。“望遠(yuǎn)鏡觀(guān)測(cè)同一目標(biāo)時(shí)既要記錄信號(hào)也要記錄時(shí)間，不同的時(shí)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(dòng)跟蹤目標(biāo)。過(guò)去的雷達(dá)是靠機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)跟蹤目標(biāo)，而現(xiàn)在的雷達(dá)已經(jīng)發(fā)展到線(xiàn)控雷達(dá)，用數(shù)字線(xiàn)控指向跟蹤目標(biāo)，可提高觀(guān)測(cè)效率。”

那么，能否把望遠(yuǎn)鏡的傳統(tǒng)干涉技術(shù)與線(xiàn)控雷達(dá)技術(shù)相結(jié)合，建造一臺(tái)信息化時(shí)代的射電望遠(yuǎn)鏡？天文學(xué)家陷入了沉思。為此，包括中國(guó)在內(nèi)的十多個(gè)國(guó)家共同組成了平方公里陣列射電望遠(yuǎn)鏡國(guó)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(chǎng)景圖示。屏幕上，數(shù)千面天線(xiàn)從一口口“大鍋”向外呈旋臂狀鋪展，延伸著長(zhǎng)長(zhǎng)的“觸角”，尤為壯觀(guān)。

“望遠(yuǎn)鏡的建設(shè)過(guò)程就如同造‘鍋’。我們建造了2500個(gè)15米大小的‘鍋’，組成了一個(gè)5公里的中心致密陣列，并延伸到3000公里形成一個(gè)更大的場(chǎng)景極限。”武向平介紹，中心部分擁有三種天線(xiàn)，分別為高頻波段天線(xiàn)、偶極天線(xiàn)和中頻波段天線(xiàn)。

可別小看這些天線(xiàn)，即使是再簡(jiǎn)單的小天線(xiàn)都接有對(duì)應(yīng)的智能接收機(jī)，使其信號(hào)數(shù)字化。

“所有的天線(xiàn)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(gè)頻道，同時(shí)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(shuō)，“130萬(wàn)個(gè)天線(xiàn)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。”

探索奧秘的神器

然而，建設(shè)SKA這樣龐大的一個(gè)宏觀(guān)設(shè)備僅僅是追求技術(shù)突破，以驗(yàn)證天線(xiàn)能否工作嗎？答案是否定的。武向平告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，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(gè)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(gè)形成的天體；二是尋找脈沖星，驗(yàn)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(yàn)引力理論，特別是檢驗(yàn)廣義相對(duì)論是否正確，要探測(cè)超大質(zhì)量黑洞的引力波。我們希望解決宇宙的磁場(chǎng)起源問(wèn)題，看到宇宙第一縷曙光，即恒星從哪里來(lái)，并 探索暗物質(zhì)和暗能量的本質(zhì)問(wèn)題。”他說(shuō)。

武向平告訴記者：“這個(gè)望遠(yuǎn)鏡非常靈敏，五十光年范圍內(nèi)有一架飛機(jī)飛過(guò)，飛行員通話(huà)的聲音我們都可以聽(tīng)到。我們希望十年以后可以回答這么一個(gè)問(wèn)題：是否在五十光年范圍內(nèi)存在地外文明。同時(shí)，我們還想尋找適合人類(lèi)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。”

帶著一系列任務(wù)目標(biāo)，眾多國(guó)際科學(xué)技術(shù)人員投身于這項(xiàng)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(guó)的兩個(gè)臺(tái)址分階段進(jìn)行建設(shè)。第一階段建設(shè)于2019年開(kāi)始，歷時(shí)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(jì)于2030年全部完成。此工程被認(rèn)為將推動(dòng)全球制造、通信、計(jì)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(shí)代

作為中國(guó)參與的第二大國(guó)際合作大科學(xué)工程，SKA是迄今為止計(jì)劃建造的最宏偉的天文觀(guān)測(cè)設(shè)備，將主導(dǎo)未來(lái)射電天文學(xué)50年的發(fā)展命脈，蘊(yùn)涵多項(xiàng)重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)，對(duì)自然科學(xué)和人類(lèi)文明做出劃時(shí)代的和革命性的貢獻(xiàn)。

SKA是超越國(guó)界的全球大科學(xué)裝置，是體現(xiàn)“構(gòu)建人類(lèi)命運(yùn)共同體”的科研實(shí)踐行動(dòng)。SKA不僅能給中國(guó)在基礎(chǔ)科學(xué)前沿領(lǐng)域帶來(lái)豐厚和突破性的回報(bào)，也是中國(guó)科技長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的全球布局。

他介紹，中國(guó)的科學(xué)團(tuán)隊(duì)還計(jì)劃建設(shè)區(qū)域數(shù)據(jù)中心，并使之逐步過(guò)渡到SKA亞太科學(xué)和數(shù)據(jù)中心以及未來(lái)的國(guó)際SKA科學(xué)和數(shù)據(jù)中心。“這樣中國(guó)科學(xué)家不出國(guó)門(mén)，就能便捷使用數(shù)據(jù)產(chǎn)出科學(xué)成果，并吸引國(guó)際伙伴來(lái)中國(guó)進(jìn)行科學(xué)研究和交流。”

據(jù)了解，近年來(lái)中國(guó)建成或正在建設(shè)一批大科學(xué)工程。隨著國(guó)務(wù)院正式印發(fā)《積極牽頭組織國(guó)際大科學(xué)計(jì)劃和大科學(xué)工程方案》，中國(guó)駛?cè)肓藸款^組織國(guó)際大科學(xué)計(jì)劃和大科學(xué)工程的“快車(chē)道”。除SKA外，力爭(zhēng)給人類(lèi)帶來(lái)無(wú)限的清潔能源的國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆計(jì)劃、探尋生命奧秘的人類(lèi)基因組計(jì)劃等各類(lèi)項(xiàng)目如雨后春筍般涌現(xiàn)。

“我們積極參與國(guó)際大科學(xué)工程，堅(jiān)持自主研究和國(guó)際合作相結(jié)合，以實(shí)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(guò)，中國(guó)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(bào)，那也是我們參加SKA和最終目的。”