这个在建的超级科学工程,比“中国天眼”还要牛

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  出品 | 网易新闻

  作者 | 浪潮击水,军事&法学爱好者

  数千年来,人类探索宇宙的脚步从未停止过,但是在伽利略改进望远镜使其可以放大几十倍之前,人类甚至都没有细致观察过距离我们最近的月球。可以说,在天文望远镜出现之后,人类才有了开荒的工具,才能够把视野投向更加“蛮荒”的宇宙。

  折射式望远镜、反射式望远镜、折返式望远镜,对于可见光以外的波段,人类发明了射电望远镜,当单体射电望远镜的发展逐步受限于制造水平的进步速度时,人类又发明了综合孔径射电望远镜……

  

  (中国制造的世界上最大的球面射电望远镜——FAST,500米口径)

  但是,面对跨度动辄百万光年的距离,不论是目前最大的单体射电望远镜还是已有的综合孔径射电望远镜,规模有限分辨率更是有限,而将全球现有分散的射电望远镜组成通讯网络则无法记录统一的信号和时间,在分析数据前还需要进一步转化,加之现今大部分射电望远镜还依靠机械式扫描跟踪目标,全球同步跟踪目标的效率就更低了。

  因此,把望远镜的传统干涉技术与线控雷达技术结合在一起,并建造一台用超级计算机进行信息化控制的综合孔径射电望远镜就是人类下一阶段的建设目标。

  现在,这个目标已经开始实现,平方公里射电望远镜(SKA)计划的第一阶段建设已经于2018年正式开始,2019年中国作为SKA项目的创始国之一签署了“罗马公约”,标志着平方公里阵列天文台正式成立。

  (一)人类历史上最大的科学工程

  平方公里阵列望远镜(Square kilometer Array)是国际天文界计划建造的世界最大综合孔径射电望远镜,其接收面积达到一平方公里,是一个由三千多个反射面天线和一百万个低频天线组成的、覆盖跨度3000公里的巨大综合孔径阵列。

  

  (直径十五米的高频反射面天线由于性价比高,是SKA项目中主要使用的天线之一)

  综合孔径射电望远镜的空间分辨率取决于观测所用的基线长度,而灵敏度则取决于各个天线的总接收面积。SKA项目组成的孔径阵列无可匹敌的基线长度和天线总数目,使得其在观测范围方面很大程度上将超过哈勃太空望远镜的图像分辨率质量,在灵敏度方面则是目前人类最灵敏的射电望远镜阵列的五十倍,分析数据的能力是后者的一百倍。

  

  (高约两米的低频孔径天线,是SKA项目另一种中主要使用的天线)

  在地球上具有完美射电静默背景并可以布置大面积天线阵列的地区中,SKA计划选址在南非的沙漠地区(高频和中频阵列望远镜部分)和西澳大利亚地区(低频孔径望远镜部分)。天线阵列的排列方式并不均匀,以南非的天线阵列为例:占总数量百分之五十的碟形天线组成的致密阵列位于核心五公里的范围内,包括三种天线,分别为高频波段天线、偶极天线和中频波段天线,百分之二十五位于外部二百公里范围内,最后百分之二十五位于外部三千公里范围内。

  

  (通过中央区域密集分布和以中心为圆心沿着悬臂向四周散布的阵列方式,右图为中心区域的密度)

  除了建造难度巨大,要控制这样大规模的相控阵列网络也绝非易事。为了保证数千个天线信号同步精度达到一百零八分之一秒以内,相邻天线之间全部用光纤连接,使用光纤总长度可以绕地球两周。

  为了能够及时处理每个信号接收节点的信息,所有的天线都配备有对应的智能接收机,实现天线接收到的信号数字化,各个站点将把这些数据压缩成更易于管理的数据包,发送给中央处理器。

  为此,两台世界上最快的超级计算机将被用于处理SKA共计130万个天线数字化后产生的数据,数据量相当于全球互联网流量的一百倍,每年将储存并分发600拍字节(1拍字节=1024TB)的数据,可以说是真正的大数据望远镜。

  

  (世界上最快的超级计算机将被用于SKA数据处理)

  SKA计划的时间跨度也是空前的,1991年,包含中国在内的十国天文学家提出了SKA初步设想,1993年国际工作组建立,2008年开始概念设计,2012年选址……在2018年正式开始SKA1阶段的建设之前,这个人类历史上最大的科学工程已经使用了二十多年的时间进行设计和谈判。

  2018年开始的SKA第一阶段(SKA1)将完成占总规模百分之十左右的望远镜,到2023年完成,内容包括非洲反射面天线和澳大利亚的低频天线,分阶段完成可以提前进行科学观测,2023年开始的SKA第二阶段(SKA2)将补充设备,这种补充不仅是在数量上,在非洲区域还可能增加新型的中频孔径阵列,直到2030年整体建设完毕。

  当然,与SKA项目可能颠覆的、人类从发明望远镜至今400年形成的宇宙认知相比,四十年的准备并不算太长。

  (二)中国设计的天线,为SKA提供“眼睛”和“耳朵”

  作为SKA项目创始国之一,中国参与了天线(DSH)、低频孔径阵列(LFAA)、中频孔径阵列(MFAA)、信号与数据传输(SaDT)、科学数据处理(SDP)和宽带单像素馈源(WBSPF)等六个国际工作包联盟的研发工作,特别是在项目的核心设备——收发天线的设计中起到了引领和主导作用。

  2014年澳大利亚平方公里射电望远镜探路者(ASKA-P)望远镜36个天线全部由中国提供。

  

  (36个ASKA-P天线之一)

  2018年2月6日,中国主导研制的平方公里阵列射电望远镜天线探路者(SKA-P)的首台新型设备成功启动试运行,为项目提供了目前世界上最先进的天线解决方案。

  

  (中国制造的新型SKA-P反射面天线)

  射电望远镜的天线组成了整个系统的眼睛和耳朵,其原理同光学望远镜聚焦光线一样,也将投射来的目标天体的射电辐射,用镜面反射之后同相到达公共焦点,然后接收机将这些信号加工、转化成为可供记录和显示的形式,终端设备再把信号记录下来。

  在这个过程中,影响射电望远镜的基本指标是:空间分辨率(区分两个相互靠近天体的射电点源的能力)、灵敏度(探测微弱射电源的能力)和巡天速度(快速扫描观测同一天区的能力)。

  SKA-P反射面天线包含主副两个反射面,主反射面总面积达到235平方米,由66块边长为三米的三角形面板拼接而成,在将这些曲率各不相同、精度为0.1毫米的面板拼接成半个篮球场大小的平面时,整个“镜面”的精度达到了0.5毫米,副反射面更是将组装的精度控制在0.2毫米以内。同时,在实际使用中的不同温度、风载荷和俯仰工作范围内的重力影响下,也都能够保证误差控制在一个极小的范围内。

  为了排除人造电磁破和地磁杂波的干扰,天线系统中还采用了高电磁屏蔽电线座架设计,定向的屏蔽掉电子设备辐射的电磁信号,让这个灵敏的“耳朵”可以“屏息聆听”宇宙的声音。

  SKA-P反射面天线摒弃了传统的机械扫描方式,装配有相位阵列馈源(PAF)。它的前辈——ASKA-P天线工作时,同时产生三十个独立的波束覆盖三十平方度(手臂伸直时小拇指的宽度约为一度)视界来给天线提供广阔的视场(FoV),使望远镜能够同时观测较大范围的宇宙空间,并在保持相当高精度的前提下,加快了巡天速度。

  2014年尚处于调试状态的ASKA-P巡天观测速度已经是南半球任何同级别望远镜的两倍,可以预见,SKA-P的速度还将大幅度提升。

  射电天线的本质是发挥“射电照相”的作用(在非可见光波长范围内),为了捕捉遥远太空中的“光”,这个“照相机”的“曝光时间”非常长(ASKA-P系统拍摄的南天极区域耗时12小时),要保证最终建成的覆盖数千公里范围,几千个天线的SKA系统稳定“拍摄”,实现最大的接收效率,就要保证所有天线同时对准一个目标并持续同步跟踪观测。

  SKA-P天线的控制系统采用的全数字高精度伺服驱动控制系统、高精度座架和天线结构的保型设计,能够为组成望远镜的天线设定特殊的旋转轴,实现了千分之三高指向性精度。统一的旋转轴有助于望远镜长时间工作,相当于给照相机添加了手持稳定器,帮助稳定望远镜的朝向,提高图像质量。

  

  (alma射电望远镜发现有史以来最古老的合并星系)

  除了天线设计制造领域,在科学数据处理方面,中国拥有“神威.太湖之光”等世界最强的超级计算机研发和使用经验,这些也为SKA提供硬件支持。另外在2005年,中国在新疆建设了包含一万个天线的阵列21CMA,为SKA的数据分析工作做了大量准备,做出了有中国自主知识产权的分析软件,这对于未来SKA数据成像的工作有着重要的意义。

  (三)更高灵敏度、更快搜寻速度,只为回答终极问题

  就在刚刚过去的国庆长假期间,位于中国贵州的世界最大单口径射电望远镜,被誉为“中国天眼”的五百米口径球面射电望远镜(FAST)又新发现并认证了3颗脉冲星,至此,FAST已经发现并认证的脉冲星数量达到近百颗。

  而SKA有望克服包括FAST在内的单口径射电望远镜的缺陷和不足,同时获得更高的灵敏度、更大的视场、更高的频率、更高的空间分辨率、更高效的巡天能力,因此将不仅能用于发现脉冲星,验证爱因斯坦的引力理论,还可以捕捉宇宙第一代天体诞生,探索星系的演化、宇宙大爆炸后暗能量的发展、宇宙磁场的作用,甚至探测微弱的外星信号并在太空中寻找能够形成生命的复杂分子,乃至为人类寻找地球以外的宜居星球……

  

  SKA是中国参与的重要的国际科学装置,是体现“人类命运共同体”的科研实践,中国不仅可以从中取得基础科学前沿领域的突破性成果,同时也为解决人类问题贡献了中国智慧和中国方案。

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  编辑| 史文慧

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