有望再现“宇宙黎明”,绘制“宇宙地图”

我国参建的平方公里阵列射电望远镜“观天巨眼”有多牛

在南半球的澳大利亚、南非以及南部非洲的8个国家,2020年将开始建设世界最大综合孔径望远镜——平方公里阵列射电望远镜(SKA)。SKA由全球十多个国家计划合资建造,中国是发起国之一。目前,面向全球的项目布局、科学准备、工程技术研发、人才培养等工作正全面推进。我国部署的SKA前期数据处理系统建设和相关科学预研,日前在上海正式启动。

打造史上最牛的“观天巨眼”

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。

国际大科学工程-平方公里阵列射电望远镜(SKA),以大量的小单元天线汇聚实现综合孔径射电干涉成像,总接收面积达一平方公里,是人类有史以来建造的最宏大的望远镜。

SKA由130万个对数周期天线组成的低频阵列(位于澳大利亚西部沙漠的无线电宁静区域)和2500面碟形天线组成的中频阵列(位于南非及南部非洲8个国家)两部分组成。建成后,将比目前世界上最大的射电望远镜阵列灵敏度提高约50倍、巡天速度提高约10000倍,堪称史上最牛的“观天巨眼”。

平方公里阵列射电望远镜的第一阶段(SKA1)将于2020年开始建设,计划完成大约10%的建设任务,包括在南非建造197面碟形天线、在澳大利亚建造约13万台低频阵列天线。

大科学装置为人类认识宇宙提供重要机遇。SKA建成后,有望揭示宇宙中诞生的第一代天体,重现宇宙从黑暗走向光明的历史进程；有望以宇宙最丰富元素“氢”为信使,绘制宇宙最大的三维结构图；有望发现银河系几乎所有的脉冲星、发现来自超大质量黑洞产生的引力波、重建宇宙磁场的结构、探知宇宙磁场的源头；还有望揭开原始生命的摇篮,寻找茫茫宇宙深处的知音……

中国SKA科学目标和发展路线图

据SKA中国首席科学家武向平院士介绍,作为SKA国际大家庭的一员,中国SKA科学家团队经过广泛征询、充分论证和顶层设计,现已确立了中国SKA科学目标和发展路线图。即在第一阶段,确保两个优先突破领域和若干个具有特色的研究方向,概括为“2+1”推进战略。

两个优先领域分别是:利用SKA1低频阵列,直接抓捕宇宙第一代天体“再电离”的身影,再现“宇宙黎明”；积极参与脉冲星的搜索,并致力于发现毫秒脉冲星、脉冲星-脉冲星系统、脉冲星-黑洞系统等具有重要科学价值的事例,以用于验证引力理论。

此外,中国SKA科学团队还确定了若干重要突破方向:利用SKA极高灵敏度和大面积巡天优势,开展中性氢21cm宇宙学研究,揭示从黑洞、星系动力学甚至宇宙大尺度结构的性质,检验暗物质和暗能量的特性；利用SKA快速巡天和极高时间分辨率的优势,探究“暂现源”(如快速射电暴、伽玛暴、引力波源)的物理本质,揭示宇宙极端天体的秘密；绘制从星云到宇宙大尺度的磁场结构,追溯宇宙各层次的磁场起源。

武向平表示,围绕核心科学目标的实施,中国SKA科学团队由11个科学研究课题构成。由中国科学院牵头,联合高校和各研究院所,广泛深入开展国际合作,特别是与SKA两个台址国以及各SKA探路者联合体建立战略伙伴关系,在中国SKA区域中心基础上进一步推动和建设SKA亚太区域中心,集聚全球顶尖人才,使中国成为未来SKA人才最向往的国际科研中心之一。

SKA前期数据处理系统建设在沪启动

在科技部国家重点研发计划大科学装置专项的支持下,平方公里阵列射电望远镜(SKA)前期数据处理系统建设和相关科学预研,日前在上海正式启动。

据项目负责人、中国科学院上海天文台洪晓瑜研究员介绍,SKA前期数据处理系统建设和相关科学预研,共分为三个大课题。将以我国自主建设的低频望远镜阵列21CMA和澳大利亚低频望远镜阵列MWA的实测数据为基础,为SKA的首要科学目标“宇宙再电离成像”的观测研究做准备；将完成低频射电干涉大视场、高动态、多波束的成像处理软件；同时建设中国SKA区域中心数据处理系统的原型机。

作为下一代担当引领作用的射电天文观测设施,SKA不仅承载孕育世界级科研成果的使命,还将产生世界上前所未有的超大数据量。据估计,仅按照全部规模10%来建造的第一阶段,科学处理器所需要的计算能力,就相当于我国超级计算机“天河二号”的8倍、“神威·太湖之光”的3倍。如此庞大的数据还需要深度分析和加工后才能被科学家使用,这些工作是要由分布于几大洲的区域数据中心合作完成。

在SKA中国首席科学家武向平院士带领下,中国SKA科学团队计划在上海建设中国SKA区域中心,主要包括科学中心和数据中心。中国SKA数据中心将作为国际上几个大型区域数据中心之一,一方面承担一定份额的SKA数据处理和存储的国际义务,另一方面重点为中国乃至亚洲区域科学用户提供必要的计算和数据存储资源以及技术支持。中国SKA科学中心将为数据中心的建设和运行,提供科学指导以及研发天文软件。

目前,上海天文台正全力推进中国SKA区域中心建设,加快原型系统建设和人才培养。据课题负责人、上海天文台安涛研究员介绍,现上海天文台已与澳大利亚的SKA先导望远镜数据中心之间建立了端对端的直连互通,成功研制了符合SKA数据处理特点的原理样机,完成了SKA核心软件的大规模集成测试,为国际SKA区域中心的建设做贡献。（记者 张建松）