武向平：我們的征途是星辰宇宙

SKA第一階段的望遠鏡示意圖，包括由近200面碟型天線組成的中頻陣，以及由13萬個低頻天線組成的低頻陣。圖片來源：中科院國家天文台

　　來源：中國科學報

　　「我們積极參与國際大科學工程，堅持自主研究和國際合作相結合，以實現望遠鏡單口徑和干涉陣列的協同發展。」武向平表示，「不過，中國參加SKA的主要目的是追求宏偉科學目標和取得豐碩的科學回報，那也是我們參加SKA的最終目的。」

　　浩瀚蒼穹，帶給人類永恆的好奇；仰望星空，離不開功能強大的望遠鏡。

　　近日，中國科學院大學玉泉路校區禮堂里，來自國科大的學生和社會各界人士濟濟一堂，以「遙望宇宙的巨眼「為主題的天文講座在這裡舉行。

　　國際大科學工程「平方公里陣列射電望遠鏡」（SKA）的中國首席科學家、中國科學院院士武向平詳細介紹了SKA的相關發展歷程與科學目標，引起全場熱烈掌聲。

　　SKA：完全數字化的望遠鏡

　　一直以來，人們探索宇宙空間的腳步從未停止，望遠鏡則是人們遙望宇宙的「巨眼」。

　　目前，全世界的望遠鏡可連起來組成通信網路，可以說地球直徑有多大，望遠鏡解析度就有多高。面對遍地的「眼睛」，為什麼科學家還要不遺餘力地興建如此龐大的「巨眼」工程呢？

　　武向平介紹，因為望遠鏡分布在世界各個角落，工作時需依賴原子鐘計時。「望遠鏡觀測同一目標時既要記錄信號也要記錄時間，不同的時間在干涉研究前需事先轉換，影響效率。此外，所有的望遠鏡都是靠機械轉動跟蹤目標。過去的雷達是靠機械轉動跟蹤目標，而現在的雷達已經發展到線控雷達，用數字線控指向跟蹤目標，可提高觀測效率。」

　　那麼，能否把望遠鏡的傳統干涉技術與線控雷達技術相結合，建造一台信息化時代的射電望遠鏡？天文學家陷入了沉思。為此，包括中國在內的十多個國家共同組成了平方公里陣列射電望遠鏡國際組織，平方公里陣列射電望遠鏡（SKA）應運而生。

　　講座上，武向平向同學們展示了SKA的場景圖示。屏幕上，數千面天線從一口口「大鍋」向外呈旋臂狀鋪展，延伸著長長的「觸角」，尤為壯觀。

　　「望遠鏡的建設過程就如同造『鍋』。我們建造了2500個15米大小的『鍋』，組成了一個5公里的中心緻密陣列，並延伸到3000公里形成一個更大的場景極限。」武向平介紹，中心部分擁有三種天線，分別為高頻波段天線、偶極天線和中頻波段天線。

　　可別小看這些天線，即使是再簡單的小天線都接有對應的智能接收機，使其信號數字化。

　　「所有的天線都是數字化的，在當地立即進行多波束合成。這些波束的每一個頻道，同時傳到中央處理器，數據量巨大，這是完全數字化的望遠鏡。」武向平說，「130萬個天線都數字化後，數據量是全球網際網路流量的一百倍，可謂是真正的大數據望遠鏡。」

　　探索奧秘的神器

　　然而，建設SKA這樣龐大的一個宏觀設備僅僅是追求技術突破，以驗證天線能否工作嗎？答案是否定的。武向平告訴《中國科學報》，該「神器」擔負著探索宇宙的重大使命，且任務眾多。

　　他介紹，科學家們為SKA定出了兩個優先科學目標，一是看到宇宙第一縷曙光，即尋找宇宙中第一個形成的天體；二是尋找脈衝星，驗證引力理論是否正確。

　　「SKA要在宇宙中尋找非常緻密的天體，檢驗引力理論，特別是檢驗廣義相對論是否正確，要探測超大質量黑洞的引力波。我們希望解決宇宙的磁場起源問題，看到宇宙第一縷曙光，即恆星從哪裡來，並 探索暗物質和暗能量的本質問題。」他說。

　　武向平告訴記者：「這個望遠鏡非常靈敏，五十光年範圍內有一架飛機飛過，飛行員通話的聲音我們都可以聽到。我們希望十年以後可以回答這麼一個問題：是否在五十光年範圍內存在地外文明。同時，我們還想尋找適合人類居住的星球，特別在射電波段是否有大分子的存在，尤其是有機分子，比如蛋白質和氨基酸等。」

　　帶著一系列任務目標，眾多國際科學技術人員投身於這項宇宙探索工程，參與和協作建造、共同運行和管理SKA。

　　據悉，SKA將分別在澳大利亞和南非/非洲八國的兩個台址分階段進行建設。第一階段建設於2019年開始，歷時5年完成約10%的體量；第二階段將建設其餘的部分，預計於2030年全部完成。此工程被認為將推動全球製造、通信、計算、能源等一系列產業迅速發展。

　　科學研究進入大科學時代

　　作為中國參與的第二大國際合作大科學工程，SKA是迄今為止計劃建造的最宏偉的天文觀測設備，將主導未來射電天文學50年的發展命脈，蘊涵多項重大科學發現，對自然科學和人類文明做出劃時代的和革命性的貢獻。

　　SKA是超越國界的全球大科學裝置，是體現「構建人類命運共同體」的科研實踐行動。SKA不僅能給中國在基礎科學前沿領域帶來豐厚和突破性的回報，也是中國科技長遠發展的全球布局。

　　他介紹，中國的科學團隊還計劃建設區域數據中心，並使之逐步過渡到SKA亞太科學和數據中心以及未來的國際SKA科學和數據中心。「這樣中國科學家不出國門，就能便捷使用數據產出科學成果，並吸引國際夥伴來中國進行科學研究和交流。」

　　據了解，近年來中國建成或正在建設一批大科學工程。隨著國務院正式印發《積極牽頭組織國際大科學計劃和大科學工程方案》，中國駛入了牽頭組織國際大科學計劃和大科學工程的「快車道」。除SKA外，力爭給人類帶來無限的清潔能源的國際熱核聚變實驗堆計劃、探尋生命奧秘的人類基因組計劃等各類項目如雨後春筍般湧現。

　　「我們積极參与國際大科學工程，堅持自主研究和國際合作相結合，以實現望遠鏡單口徑和干涉陣列的協同發展。」武向平表示，「不過，中國參加SKA的主要目的是追求宏偉科學目標和取得豐碩的科學回報，那也是我們參加SKA和最終目的。」

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