【中国科学报】武向平：我们的征途是星辰宇宙

2019-05-07 中国科学报 程唯珈

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　　浩瀚苍穹，带给人类永恒的好奇；仰望星空，离不开功能强大的望远镜。

　　近日，中国科学院大学玉泉路校区礼堂里，来自国科大的学生和社会各界人士济济一堂，以“遥望宇宙的巨眼“为主题的天文讲座在这里举行。

　　国际大科学工程“平方公里阵列射电望远镜”（SKA）的中国首席科学家、中国科学院院士武向平详细介绍了SKA的相关发展历程与科学目标，引起全场热烈掌声。

　　SKA：完全数字化的望远镜

　　一直以来，人们探索宇宙空间的脚步从未停止，望远镜则是人们遥望宇宙的“巨眼”。

　　目前，全世界的望远镜可连起来组成通信网络，可以说地球直径有多大，望远镜分辨率就有多高。面对遍地的“眼睛”，为什么科学家还要不遗余力地兴建如此庞大的“巨眼”工程呢？

　　武向平介绍，因为望远镜分布在世界各个角落，工作时需依赖原子钟计时。“望远镜观测同一目标时既要记录信号也要记录时间，不同的时间在干涉研究前需事先转换，影响效率。此外，所有的望远镜都是靠机械转动跟踪目标。过去的雷达是靠机械转动跟踪目标，而现在的雷达已经发展到线控雷达，用数字线控指向跟踪目标，可提高观测效率。”

　　那么，能否把望远镜的传统干涉技术与线控雷达技术相结合，建造一台信息化时代的射电望远镜？天文学家陷入了沉思。为此，包括中国在内的十多个国家共同组成了平方公里阵列射电望远镜国际组织，平方公里阵列射电望远镜（SKA）应运而生。

　　讲座上，武向平向同学们展示了SKA的场景图示。屏幕上，数千面天线从一口口“大锅”向外呈旋臂状铺展，延伸着长长的“触角”，尤为壮观。

　　“望远镜的建设过程就如同造‘锅’。我们建造了2500个15米大小的‘锅’，组成了一个5公里的中心致密阵列，并延伸到3000公里形成一个更大的场景极限。”武向平介绍，中心部分拥有三种天线，分别为高频波段天线、偶极天线和中频波段天线。

　　可别小看这些天线，即使是再简单的小天线都接有对应的智能接收机，使其信号数字化。

　　“所有的天线都是数字化的，在当地立即进行多波束合成。这些波束的每一个频道，同时传到中央处理器，数据量巨大，这是完全数字化的望远镜。”武向平说，“130万个天线都数字化后，数据量是全球因特网流量的一百倍，可谓是真正的大数据望远镜。”

　　探索奥秘的神器

　　然而，建设SKA这样庞大的一个宏观设备仅仅是追求技术突破，以验证天线能否工作吗？答案是否定的。武向平告诉《中国科学报》，该“神器”担负着探索宇宙的重大使命，且任务众多。

　　他介绍，科学家们为SKA定出了两个优先科学目标，一是看到宇宙第一缕曙光，即寻找宇宙中第一个形成的天体；二是寻找脉冲星，验证引力理论是否正确。

　　“SKA要在宇宙中寻找非常致密的天体，检验引力理论，特别是检验广义相对论是否正确，要探测超大质量黑洞的引力波。我们希望解决宇宙的磁场起源问题，看到宇宙第一缕曙光，即恒星从哪里来，并 探索暗物质和暗能量的本质问题。”他说。

　　武向平告诉记者：“这个望远镜非常灵敏，五十光年范围内有一架飞机飞过，飞行员通话的声音我们都可以听到。我们希望十年以后可以回答这么一个问题：是否在五十光年范围内存在地外文明。同时，我们还想寻找适合人类居住的星球，特别在射电波段是否有大分子的存在，尤其是有机分子，比如蛋白质和氨基酸等。”

　　带着一系列任务目标，众多国际科学技术人员投身于这项宇宙探索工程，参与和协作建造、共同运行和管理SKA。

　　据悉，SKA将分别在澳大利亚和南非/非洲八国的两个台址分阶段进行建设。第一阶段建设于2019年开始，历时5年完成约10%的体量；第二阶段将建设其余的部分，预计于2030年全部完成。此工程被认为将推动全球制造、通信、计算、能源等一系列产业迅速发展。

　　科学研究进入大科学时代

　　作为中国参与的第二大国际合作大科学工程，SKA是迄今为止计划建造的最宏伟的天文观测设备，将主导未来射电天文学50年的发展命脉，蕴涵多项重大科学发现，对自然科学和人类文明做出划时代的和革命性的贡献。

　　SKA是超越国界的全球大科学装置，是体现“构建人类命运共同体”的科研实践行动。SKA不仅能给中国在基础科学前沿领域带来丰厚和突破性的回报，也是中国科技长远发展的全球布局。

　　他介绍，中国的科学团队还计划建设区域数据中心，并使之逐步过渡到SKA亚太科学和数据中心以及未来的国际SKA科学和数据中心。“这样中国科学家不出国门，就能便捷使用数据产出科学成果，并吸引国际伙伴来中国进行科学研究和交流。”

　　据了解，近年来中国建成或正在建设一批大科学工程。随着国务院正式印发《积极牵头组织国际大科学计划和大科学工程方案》，中国驶入了牵头组织国际大科学计划和大科学工程的“快车道”。除SKA外，力争给人类带来无限的清洁能源的国际热核聚变实验堆计划、探寻生命奥秘的人类基因组计划等各类项目如雨后春笋般涌现。

　　“我们积极参与国际大科学工程，坚持自主研究和国际合作相结合，以实现望远镜单口径和干涉阵列的协同发展。”武向平表示，“不过，中国参加SKA的主要目的是追求宏伟科学目标和取得丰硕的科学回报，那也是我们参加SKA和最终目的。”

　　（原载于《中国科学报》 2019-05-07 第8版 探索发现)

　　浩瀚苍穹，带给人类永恒的好奇；仰望星空，离不开功能强大的望远镜。
　　近日，中国科学院大学玉泉路校区礼堂里，来自国科大的学生和社会各界人士济济一堂，以“遥望宇宙的巨眼“为主题的天文讲座在这里举行。
　　国际大科学工程“平方公里阵列射电望远镜”（SKA）的中国首席科学家、中国科学院院士武向平详细介绍了SKA的相关发展历程与科学目标，引起全场热烈掌声。
　　SKA：完全数字化的望远镜
　　一直以来，人们探索宇宙空间的脚步从未停止，望远镜则是人们遥望宇宙的“巨眼”。
　　目前，全世界的望远镜可连起来组成通信网络，可以说地球直径有多大，望远镜分辨率就有多高。面对遍地的“眼睛”，为什么科学家还要不遗余力地兴建如此庞大的“巨眼”工程呢？
　　武向平介绍，因为望远镜分布在世界各个角落，工作时需依赖原子钟计时。“望远镜观测同一目标时既要记录信号也要记录时间，不同的时间在干涉研究前需事先转换，影响效率。此外，所有的望远镜都是靠机械转动跟踪目标。过去的雷达是靠机械转动跟踪目标，而现在的雷达已经发展到线控雷达，用数字线控指向跟踪目标，可提高观测效率。”
　　那么，能否把望远镜的传统干涉技术与线控雷达技术相结合，建造一台信息化时代的射电望远镜？天文学家陷入了沉思。为此，包括中国在内的十多个国家共同组成了平方公里阵列射电望远镜国际组织，平方公里阵列射电望远镜（SKA）应运而生。
　　讲座上，武向平向同学们展示了SKA的场景图示。屏幕上，数千面天线从一口口“大锅”向外呈旋臂状铺展，延伸着长长的“触角”，尤为壮观。
　　“望远镜的建设过程就如同造‘锅’。我们建造了2500个15米大小的‘锅’，组成了一个5公里的中心致密阵列，并延伸到3000公里形成一个更大的场景极限。”武向平介绍，中心部分拥有三种天线，分别为高频波段天线、偶极天线和中频波段天线。
　　可别小看这些天线，即使是再简单的小天线都接有对应的智能接收机，使其信号数字化。
　　“所有的天线都是数字化的，在当地立即进行多波束合成。这些波束的每一个频道，同时传到中央处理器，数据量巨大，这是完全数字化的望远镜。”武向平说，“130万个天线都数字化后，数据量是全球因特网流量的一百倍，可谓是真正的大数据望远镜。”
　　探索奥秘的神器
　　然而，建设SKA这样庞大的一个宏观设备仅仅是追求技术突破，以验证天线能否工作吗？答案是否定的。武向平告诉《中国科学报》，该“神器”担负着探索宇宙的重大使命，且任务众多。
　　他介绍，科学家们为SKA定出了两个优先科学目标，一是看到宇宙第一缕曙光，即寻找宇宙中第一个形成的天体；二是寻找脉冲星，验证引力理论是否正确。
　　“SKA要在宇宙中寻找非常致密的天体，检验引力理论，特别是检验广义相对论是否正确，要探测超大质量黑洞的引力波。我们希望解决宇宙的磁场起源问题，看到宇宙第一缕曙光，即恒星从哪里来，并 探索暗物质和暗能量的本质问题。”他说。
　　武向平告诉记者：“这个望远镜非常灵敏，五十光年范围内有一架飞机飞过，飞行员通话的声音我们都可以听到。我们希望十年以后可以回答这么一个问题：是否在五十光年范围内存在地外文明。同时，我们还想寻找适合人类居住的星球，特别在射电波段是否有大分子的存在，尤其是有机分子，比如蛋白质和氨基酸等。”
　　带着一系列任务目标，众多国际科学技术人员投身于这项宇宙探索工程，参与和协作建造、共同运行和管理SKA。
　　据悉，SKA将分别在澳大利亚和南非/非洲八国的两个台址分阶段进行建设。第一阶段建设于2019年开始，历时5年完成约10%的体量；第二阶段将建设其余的部分，预计于2030年全部完成。此工程被认为将推动全球制造、通信、计算、能源等一系列产业迅速发展。
　　科学研究进入大科学时代
　　作为中国参与的第二大国际合作大科学工程，SKA是迄今为止计划建造的最宏伟的天文观测设备，将主导未来射电天文学50年的发展命脉，蕴涵多项重大科学发现，对自然科学和人类文明做出划时代的和革命性的贡献。
　　SKA是超越国界的全球大科学装置，是体现“构建人类命运共同体”的科研实践行动。SKA不仅能给中国在基础科学前沿领域带来丰厚和突破性的回报，也是中国科技长远发展的全球布局。
　　他介绍，中国的科学团队还计划建设区域数据中心，并使之逐步过渡到SKA亚太科学和数据中心以及未来的国际SKA科学和数据中心。“这样中国科学家不出国门，就能便捷使用数据产出科学成果，并吸引国际伙伴来中国进行科学研究和交流。”
　　据了解，近年来中国建成或正在建设一批大科学工程。随着国务院正式印发《积极牵头组织国际大科学计划和大科学工程方案》，中国驶入了牵头组织国际大科学计划和大科学工程的“快车道”。除SKA外，力争给人类带来无限的清洁能源的国际热核聚变实验堆计划、探寻生命奥秘的人类基因组计划等各类项目如雨后春笋般涌现。
　　“我们积极参与国际大科学工程，坚持自主研究和国际合作相结合，以实现望远镜单口径和干涉阵列的协同发展。”武向平表示，“不过，中国参加SKA的主要目的是追求宏伟科学目标和取得丰硕的科学回报，那也是我们参加SKA和最终目的。”
　　（原载于《中国科学报》 2019-05-07 第8版 探索发现)

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