有望再現(xiàn)“宇宙黎明”,繪制“宇宙地圖”
我國參建的平方公里陣列射電望遠(yuǎn)鏡“觀天巨眼”有多牛
在南半球的澳大利亞、南非以及南部非洲的8個(gè)國家,2020年將開始建設(shè)世界最大綜合孔徑望遠(yuǎn)鏡——平方公里陣列射電望遠(yuǎn)鏡(SKA)。SKA由全球十多個(gè)國家計(jì)劃合資建造,中國是發(fā)起國之一。目前,面向全球的項(xiàng)目布局、科學(xué)準(zhǔn)備、工程技術(shù)研發(fā)、人才培養(yǎng)等工作正全面推進(jìn)。我國部署的SKA前期數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)建設(shè)和相關(guān)科學(xué)預(yù)研,日前在上海正式啟動(dòng)。
打造史上最牛的“觀天巨眼”
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。
國際大科學(xué)工程-平方公里陣列射電望遠(yuǎn)鏡(SKA),以大量的小單元天線匯聚實(shí)現(xiàn)綜合孔徑射電干涉成像,總接收面積達(dá)一平方公里,是人類有史以來建造的最宏大的望遠(yuǎn)鏡。
SKA由130萬個(gè)對(duì)數(shù)周期天線組成的低頻陣列(位于澳大利亞西部沙漠的無線電寧靜區(qū)域)和2500面碟形天線組成的中頻陣列(位于南非及南部非洲8個(gè)國家)兩部分組成。建成后,將比目前世界上最大的射電望遠(yuǎn)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”。
平方公里陣列射電望遠(yuǎn)鏡的第一階段(SKA1)將于2020年開始建設(shè),計(jì)劃完成大約10%的建設(shè)任務(wù),包括在南非建造197面碟形天線、在澳大利亞建造約13萬臺(tái)低頻陣列天線。
大科學(xué)裝置為人類認(rèn)識(shí)宇宙提供重要機(jī)遇。SKA建成后,有望揭示宇宙中誕生的第一代天體,重現(xiàn)宇宙從黑暗走向光明的歷史進(jìn)程;有望以宇宙最豐富元素“氫”為信使,繪制宇宙最大的三維結(jié)構(gòu)圖;有望發(fā)現(xiàn)銀河系幾乎所有的脈沖星、發(fā)現(xiàn)來自超大質(zhì)量黑洞產(chǎn)生的引力波、重建宇宙磁場的結(jié)構(gòu)、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(xué)目標(biāo)和發(fā)展路線圖
據(jù)SKA中國首席科學(xué)家武向平院士介紹,作為SKA國際大家庭的一員,中國SKA科學(xué)家團(tuán)隊(duì)經(jīng)過廣泛征詢、充分論證和頂層設(shè)計(jì),現(xiàn)已確立了中國SKA科學(xué)目標(biāo)和發(fā)展路線圖。即在第一階段,確保兩個(gè)優(yōu)先突破領(lǐng)域和若干個(gè)具有特色的研究方向,概括為“2+1”推進(jìn)戰(zhàn)略。
兩個(gè)優(yōu)先領(lǐng)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(xiàn)“宇宙黎明”;積極參與脈沖星的搜索,并致力于發(fā)現(xiàn)毫秒脈沖星、脈沖星-脈沖星系統(tǒng)、脈沖星-黑洞系統(tǒng)等具有重要科學(xué)價(jià)值的事例,以用于驗(yàn)證引力理論。
此外,中國SKA科學(xué)團(tuán)隊(duì)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(yōu)勢,開展中性氫21cm宇宙學(xué)研究,揭示從黑洞、星系動(dòng)力學(xué)甚至宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的性質(zhì),檢驗(yàn)暗物質(zhì)和暗能量的特性;利用SKA快速巡天和極高時(shí)間分辨率的優(yōu)勢,探究“暫現(xiàn)源”(如快速射電暴、伽瑪暴、引力波源)的物理本質(zhì),揭示宇宙極端天體的秘密;繪制從星云到宇宙大尺度的磁場結(jié)構(gòu),追溯宇宙各層次的磁場起源。
武向平表示,圍繞核心科學(xué)目標(biāo)的實(shí)施,中國SKA科學(xué)團(tuán)隊(duì)由11個(gè)科學(xué)研究課題構(gòu)成。由中國科學(xué)院牽頭,聯(lián)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(gè)臺(tái)址國以及各SKA探路者聯(lián)合體建立戰(zhàn)略伙伴關(guān)系,在中國SKA區(qū)域中心基礎(chǔ)上進(jìn)一步推動(dòng)和建設(shè)SKA亞太區(qū)域中心,集聚全球頂尖人才,使中國成為未來SKA人才最向往的國際科研中心之一。
SKA前期數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)建設(shè)在滬啟動(dòng)
在科技部國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃大科學(xué)裝置專項(xiàng)的支持下,平方公里陣列射電望遠(yuǎn)鏡(SKA)前期數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)建設(shè)和相關(guān)科學(xué)預(yù)研,日前在上海正式啟動(dòng)。
據(jù)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、中國科學(xué)院上海天文臺(tái)洪曉瑜研究員介紹,SKA前期數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)建設(shè)和相關(guān)科學(xué)預(yù)研,共分為三個(gè)大課題。將以我國自主建設(shè)的低頻望遠(yuǎn)鏡陣列21CMA和澳大利亞低頻望遠(yuǎn)鏡陣列MWA的實(shí)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),為SKA的首要科學(xué)目標(biāo)“宇宙再電離成像”的觀測研究做準(zhǔn)備;將完成低頻射電干涉大視場、高動(dòng)態(tài)、多波束的成像處理軟件;同時(shí)建設(shè)中國SKA區(qū)域中心數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的原型機(jī)。
作為下一代擔(dān)當(dāng)引領(lǐng)作用的射電天文觀測設(shè)施,SKA不僅承載孕育世界級(jí)科研成果的使命,還將產(chǎn)生世界上前所未有的超大數(shù)據(jù)量。據(jù)估計(jì),僅按照全部規(guī)模10%來建造的第一階段,科學(xué)處理器所需要的計(jì)算能力,就相當(dāng)于我國超級(jí)計(jì)算機(jī)“天河二號(hào)”的8倍、“神威·太湖之光”的3倍。如此龐大的數(shù)據(jù)還需要深度分析和加工后才能被科學(xué)家使用,這些工作是要由分布于幾大洲的區(qū)域數(shù)據(jù)中心合作完成。
在SKA中國首席科學(xué)家武向平院士帶領(lǐng)下,中國SKA科學(xué)團(tuán)隊(duì)計(jì)劃在上海建設(shè)中國SKA區(qū)域中心,主要包括科學(xué)中心和數(shù)據(jù)中心。中國SKA數(shù)據(jù)中心將作為國際上幾個(gè)大型區(qū)域數(shù)據(jù)中心之一,一方面承擔(dān)一定份額的SKA數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)的國際義務(wù),另一方面重點(diǎn)為中國乃至亞洲區(qū)域科學(xué)用戶提供必要的計(jì)算和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)資源以及技術(shù)支持。中國SKA科學(xué)中心將為數(shù)據(jù)中心的建設(shè)和運(yùn)行,提供科學(xué)指導(dǎo)以及研發(fā)天文軟件。
目前,上海天文臺(tái)正全力推進(jìn)中國SKA區(qū)域中心建設(shè),加快原型系統(tǒng)建設(shè)和人才培養(yǎng)。據(jù)課題負(fù)責(zé)人、上海天文臺(tái)安濤研究員介紹,現(xiàn)上海天文臺(tái)已與澳大利亞的SKA先導(dǎo)望遠(yuǎn)鏡數(shù)據(jù)中心之間建立了端對(duì)端的直連互通,成功研制了符合SKA數(shù)據(jù)處理特點(diǎn)的原理樣機(jī),完成了SKA核心軟件的大規(guī)模集成測試,為國際SKA區(qū)域中心的建設(shè)做貢獻(xiàn)。(記者 張建松)
