繁星秘語(yǔ)，曠野聆聽(tīng)。在南非卡魯荒漠深處，數(shù)十臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡呈旋臂狀鋪陳，巡天望遠(yuǎn)，探索著宇宙的奧秘——這是中國(guó)首個(gè)深度參與的國(guó)際大科學(xué)工程“平方公里陣列射電望遠(yuǎn)鏡”（SKA）。SKA是由全球多國(guó)出資共同建造和運(yùn)行的世界最大規(guī)模綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡，被譽(yù)為“世界巨眼”。日前，記者深入該項(xiàng)目南非臺(tái)址，采訪多位科學(xué)家及工程人員，了解其最新建設(shè)進(jìn)展及科學(xué)發(fā)現(xiàn)。
寂靜之地，豎起撐天巨傘
碟形天線通過(guò)陣列布局實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)信號(hào)接收與連接
在南非當(dāng)?shù)卣Z(yǔ)言里，“卡魯”意為“寂靜之地”。這片荒漠與半荒漠地帶面積約40萬(wàn)平方公里，零星散落的村鎮(zhèn)動(dòng)輒相隔上百公里。大自然塑造了這里的荒涼和孤寂，也為天文觀測(cè)創(chuàng)造了絕佳條件。
SKA采用雙臺(tái)址方案，低頻陣列位于澳大利亞西部，中頻陣列以南非為核心并擴(kuò)展至非洲南部8個(gè)國(guó)家?！澳壳澳戏桥c澳大利亞是少數(shù)受光污染較小的天文觀測(cè)地，這也是SKA選址于此的重要原因?！眹?guó)際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)主席威利·本茨表示，“在地球表面進(jìn)行深空探測(cè)面臨多重挑戰(zhàn)，光、聲、電磁信號(hào)以及建筑物等都會(huì)影響觀測(cè)，我們需要盡可能地屏蔽一切物理干擾?！?/p>
據(jù)介紹，南非臺(tái)址將由分布在3000公里范圍內(nèi)的數(shù)千臺(tái)15米口徑的碟形反射面天線組成，它們相互間利用射電干涉原理連接。截至目前，SKA項(xiàng)目南非與澳大利亞兩處臺(tái)址首期建設(shè)均已完成階段性目標(biāo)。其中，南非臺(tái)址已建成64臺(tái)天線（即先導(dǎo)項(xiàng)目MeerKAT射電望遠(yuǎn)鏡），另有15臺(tái)由中方設(shè)計(jì)承建的天線正在現(xiàn)場(chǎng)裝配中。
進(jìn)入SKA南非臺(tái)址有特殊規(guī)定，所有人員從近百公里外的卡那封小鎮(zhèn)啟程時(shí)就需處于“無(wú)線電靜默”，一切手機(jī)信號(hào)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、藍(lán)牙、熱點(diǎn)均須關(guān)閉。記者隨采訪車(chē)隊(duì)向SKA項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)發(fā)，沿途是看不盡的荒原景象。當(dāng)高聳的碟形天線遠(yuǎn)遠(yuǎn)出現(xiàn)在視野中時(shí)，大家不由得驚呼“終于有了發(fā)現(xiàn)”。車(chē)行愈近，天線越多，它們像一把把潔白的撐天巨傘，靜靜矗立于荒原之上。
“從上空看，它們是一個(gè)從中心向外逆時(shí)針旋臂展開(kāi)的陣列，越往中心天線越密集，越向外天線的間隔距離越大?！盨KA中頻望遠(yuǎn)鏡總監(jiān)林賽·馬格努斯向記者介紹，“這種陣列布局是為了更好地覆蓋信號(hào)，在不同頻率和方向上有更好的接收及連接效果。”
走進(jìn)碟形天線陣列，每臺(tái)天線支架高約11米，支撐起15米翼展的主反射面，這些“大盤(pán)子”時(shí)而以設(shè)定的節(jié)奏統(tǒng)一轉(zhuǎn)向、俯仰，發(fā)出“吱……吱……”的機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)聲，時(shí)而又“分散行動(dòng)”，幾臺(tái)朝向特定方位轉(zhuǎn)動(dòng)，另外一些則豎直接收面不再動(dòng)彈，仿佛進(jìn)入休息狀態(tài)。
SKA南非項(xiàng)目總機(jī)械師奧科爾特帶記者來(lái)到一臺(tái)編號(hào)“001”的碟形天線下，打開(kāi)支架艙門(mén)，里面密布著各種控制線路?！疤炀€可以手動(dòng)操控，也可以通過(guò)后臺(tái)程序進(jìn)行自動(dòng)巡天跟蹤?！眾W科爾特一邊手動(dòng)控制天線接收面轉(zhuǎn)向，一邊解釋說(shuō)：“SKA的最大優(yōu)勢(shì)是信號(hào)接收面在更大范圍內(nèi)可控，首期項(xiàng)目我們將安裝197臺(tái)碟形天線，后期還會(huì)安裝數(shù)千臺(tái)天線，形成更大陣列?！?/p>
項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)除了林立的射電天線，在一片丘陵的背后還有一個(gè)建筑群，主要由數(shù)據(jù)中心和配套設(shè)施組成，是SKA的“神經(jīng)中樞”。馬格努斯說(shuō)：“SKA產(chǎn)生的數(shù)據(jù)是海量的，平均每秒就有約8TB的數(shù)據(jù)產(chǎn)出，然后通過(guò)專(zhuān)用寬帶輸送至超級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。最終，這些數(shù)據(jù)將被分享給多國(guó)科學(xué)家，這是一個(gè)全球項(xiàng)目。”
多國(guó)攜手，探究宇宙奧秘
SKA展現(xiàn)廣域巡天、高靈敏度、高解像度等特征
SKA是中國(guó)首個(gè)全程參與并扮演重要角色的國(guó)際大科學(xué)工程。1993年，包括中國(guó)在內(nèi)的10國(guó)共同發(fā)起建造SKA的倡議。2011年，中國(guó)等7國(guó)共同創(chuàng)建了國(guó)際SKA組織，該組織于2021年過(guò)渡為政府間國(guó)際組織——SKA天文臺(tái)，正式成為全球性科學(xué)合作聯(lián)合體。
SKA天文臺(tái)總干事菲利普·戴蒙德表示：“這是一個(gè)跨越五大洲和南北半球的獨(dú)特組織，我們不僅需要觀測(cè)地的基礎(chǔ)設(shè)施和數(shù)據(jù)傳輸，更需要全球各大算力中心的數(shù)據(jù)處理與分析。我們已建立起各國(guó)共建共享這個(gè)新一代科學(xué)平臺(tái)的機(jī)制。”
射電望遠(yuǎn)鏡是接收和觀測(cè)無(wú)線電波的望遠(yuǎn)鏡，相較光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，它具有穿透力更強(qiáng)、分辨率更高、數(shù)據(jù)收集更穩(wěn)定等特點(diǎn)，是當(dāng)前宇宙觀測(cè)的主要設(shè)備之一。我們熟知的“中國(guó)天眼”——500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST）代表著目前單口徑射電望遠(yuǎn)鏡技術(shù)的最高水平，其靈敏度可探測(cè)100億光年外的信號(hào)。SKA則屬于綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡，通過(guò)多面天線組合形成等效大孔徑觀測(cè)，相當(dāng)于把地球變成一個(gè)“星球級(jí)鏡頭”來(lái)觀測(cè)星空。平方公里級(jí)的等效接收面積，意味著超高的靈敏度和科學(xué)發(fā)現(xiàn)能力，可以發(fā)現(xiàn)大量過(guò)去無(wú)法被探測(cè)到的極微弱信號(hào)。
“SKA作為新一代射電望遠(yuǎn)鏡技術(shù)的代表，具有廣域巡天、高靈敏度、高解像度、觀測(cè)速度更快等特征?！蹦戏撬固沽瓴际泊髮W(xué)天體物理學(xué)部主任馬寅哲對(duì)記者表示，“SKA是一個(gè)不斷發(fā)展中的項(xiàng)目，一些先期成果證明，它已將人類(lèi)的視野向前大大推進(jìn)?！蹦壳癕eerKAT已取得一系列觀測(cè)成果：2022年，首次合成出銀河系中心照片，清晰展現(xiàn)球狀超新星爆炸圖景；今年2月，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)大小相當(dāng)于銀河系32倍多的巨型星系，有助于進(jìn)一步了解宇宙中大型星系的起源和演變；今年10月，在距離地球超過(guò)40億光年的11個(gè)星系中探測(cè)到中性氫信號(hào)，通過(guò)這種信號(hào)，科學(xué)家能夠“聽(tīng)見(jiàn)”數(shù)十億光年外星系中氣體的運(yùn)動(dòng)、聚集與恒星形成過(guò)程。
“千百年來(lái)，人類(lèi)用各種方法探索宇宙，形成一張張宇宙圖景的拼圖。我們的任務(wù)之一是將這些拼圖進(jìn)行整合，進(jìn)一步看清宇宙演化過(guò)程?！盨KA首席科學(xué)家邁克拉瑞·格里菲斯介紹，“宇宙物質(zhì)的連接形態(tài)，磁力、重力的影響，脈沖星的運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及新的天文研究方法都是SKA項(xiàng)目預(yù)期實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)?！?/p>
中國(guó)力量，助力建設(shè)研究
SKA與FAST優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)向多領(lǐng)域合作拓展
在SKA項(xiàng)目展廳，一張通過(guò)國(guó)旗標(biāo)識(shí)來(lái)展現(xiàn)各國(guó)參與碟形天線建設(shè)的背景墻引人注目，其中中國(guó)國(guó)旗的出現(xiàn)頻次最高。SKA中頻望遠(yuǎn)鏡裝配、集成與驗(yàn)證部門(mén)負(fù)責(zé)人奧斯卡·莫約表示，中國(guó)是該項(xiàng)目的重要貢獻(xiàn)者之一。中國(guó)提供了SKA中頻天線結(jié)構(gòu)，包括主反射面和副反射面，并與驗(yàn)證團(tuán)隊(duì)合作，確保天線結(jié)構(gòu)能夠達(dá)到設(shè)定的目標(biāo)。未來(lái)，中國(guó)還將提供64臺(tái)天線作為實(shí)物貢獻(xiàn)。中國(guó)也是SKA區(qū)域科學(xué)中心的關(guān)鍵參與者。
中國(guó)電科網(wǎng)絡(luò)通信研究院是SKA在建中頻天線結(jié)構(gòu)任務(wù)的一級(jí)承包方，負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)輸、集成和調(diào)試等任務(wù)。馬格努斯對(duì)來(lái)自中方的中頻天線給予充分肯定。他說(shuō)，碟形天線的主反射面由66塊邊長(zhǎng)3米的獨(dú)立面板組成，每塊面板都經(jīng)過(guò)亞毫米級(jí)精度的調(diào)整，以確保反射面的光滑，而且每塊面板都依據(jù)其所處位置而具有特定的曲率。高精度對(duì)于收集來(lái)自太空的無(wú)線電波、確保實(shí)現(xiàn)觀測(cè)目標(biāo)至關(guān)重要。
今年5月，清華大學(xué)聯(lián)合意大利、澳大利亞、德國(guó)等多國(guó)天文學(xué)家，利用FAST和MeerKAT對(duì)銀河系球狀星團(tuán)進(jìn)行了高精度觀測(cè)，繪制出更清晰的銀河系磁場(chǎng)圖譜，為理解星團(tuán)演化和銀河系磁場(chǎng)提供了新的視角。這是兩臺(tái)全球頂尖射電望遠(yuǎn)鏡在球狀星團(tuán)研究領(lǐng)域的首次深度合作，未來(lái)雙方還將合作追蹤脈沖星突變、研究星際湍流，甚至探索地外文明。
馬寅哲表示：“FAST位于北天區(qū)，SKA居于南天區(qū)，二者互補(bǔ)合作意義重大。FAST的單體半徑巨大，觀測(cè)的深度及精度都很高；SKA則在觀察范圍和效率上更具優(yōu)勢(shì)，但也面臨數(shù)據(jù)處理的挑戰(zhàn)，所以全球合作成為必然?！?/p>
“我們能聽(tīng)到什么，取決于這里有多安靜。”這是SKA南非臺(tái)址對(duì)來(lái)訪者“無(wú)線電靜默”的提示標(biāo)語(yǔ)。在這之下，一則古老的對(duì)話引人遐思：一位歐洲探險(xiǎn)者曾來(lái)訪此地，他對(duì)滿(mǎn)天繁星癡迷而不解，當(dāng)?shù)夭孔彘L(zhǎng)老勸他靜心聆聽(tīng)，這茫茫夜空之中，星星不是一直在歌唱嗎？我們相信，隨著人類(lèi)探測(cè)設(shè)備的不斷進(jìn)步，未來(lái)將“聽(tīng)到”“看到”更多宇宙的奧秘。
來(lái)源于：學(xué)習(xí)強(qiáng)國(guó)