细说世界最大望远镜

来源:北京日报 作者:陈冬妮 时间:2020-01-13
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艺术家绘制的平方千米阵列望远镜(SKA)印象图。

▲位于西澳大利亚的SKA低频阵列示意图。

陈冬妮

据悉,经过数年筹备,平方千米阵列望远镜(SquareKilometerArrayTelescope,简称SKA)将于2021年1月1日启动建设。

SKA是国际天文学家计划建造的世界最大综合孔径射电望远镜,接收总面积达一平方千米,整个阵列延伸超过3000千米。其科学目标包括探求引力本质、搜寻地外文明等前沿问题。

作为SKA的创始成员国,中国将承担该项目总计13个大类别中的5项,特别是在工程技术、数据处理、时间同步等方面承担重要工作。

几年以后,这样的场景一定会在各种终端屏幕上“刷屏”:在人迹罕至、荒凉寂静的澳大利亚西部默奇森郡,广袤的大地上竖立着几百个样貌奇特的金属支架,看起来与居民楼顶的电视接收天线没什么差别;由此一路向西,跨越印度洋,进入视野的是同样人烟稀少、寂寞荒凉的南非卡鲁地区,密布的银光闪闪的碟形天线让人仿佛来到科幻电影《超时空接触》的拍摄现场。

将于2021年开工建设的平方千米阵列望远镜(SKA)由位于西澳大利亚的低频射电望远镜阵列和主要位于南非的中高频射电望远镜阵列构成,是人类有史以来建造的最大规模射电望远镜,因其最终的信号接收面积可达1平方千米而得名。

从1993年首次提出建设构想,到1997年由来自六个国家的八家科研院所首次签订合作备忘录,再到2008年SKA项目办公室正式落户在英国曼彻斯特,直至2011年成立全面领导建设项目的非营利性SKA组织,来自十余个国家的百余家科研单位的上千位科学家、工程师、项目管理人员通力合作,终于将SKA带到开工建设的阶段。

无心插柳之举开创了射电天文学

传统的天文望远镜其实只能接收到天体发出的可见光辐射,因此天文学家称它们为光学望远镜。遥远的天体在全电磁波段都会发出辐射,除了可见光波段之外,有能量更高的紫外、X射线和伽马射线,能量更低的红外、微波以及射电辐射。天文学家用来接收天体发出的射电波段辐射的仪器就被称为射电望远镜。利用射电望远镜从事天体射电辐射研究的天文学分支就是射电天文学。

恰如科幻电影所展现的那样,最初的射电望远镜大都是抛物面结构,也就是所谓的碟状天线,与我们熟悉的电视接收天线或通信卫星天线很像,只是个头要大得多。相较于光学望远镜,射电望远镜最大的优势是白天黑夜都可以观测,而不必等到夜幕降临。由于来自恒星、行星、星系等天体的射电辐射非常微弱,因此射电望远镜的口径必须非常大,接收设备必须极其灵敏,才能收集到足够多的射电波段能量供天文学家研究使用。射电望远镜的选址也要远离人口密集的城市,避免无线电通讯、电视、机动车、电台等一切人造电磁干扰。

相较于历史悠久的光学天文观测而言,射电天文学是一门新兴的分支学科,其鼻祖是美国的卡尔•央斯基。1932年,央斯基作为美国贝尔电话实验室的工程师,建造了一架直径30米的天线,用来辨别可能对无线电通信造成干扰的信号源。测量结果表明存在一个周期为23小时56分钟的重复干扰源。经过与光学波段的星图比对,央斯基断定这个重复的干扰源来自银河系,在人马座方向信号最强。卡尔的无心插柳开创了射电天文学。

由于射电波段频率覆盖十分宽泛,射电波长从毫米(亚毫米)波到厘米波、米波以及更长的量级,不同目标天体发出辐射的频率也不尽相同,因此射电望远镜的大小、样貌千差万别。既有公众熟悉的单个碟形天线,也有样子奇特的铁丝网一样的米波射电望远镜阵列。

把距离遥远的射电望远镜连在一起

射电天文学在1946年迎来了革命性的突破,干涉技术让射电天文观测不再局限于某个固定的台站。简单说,天文干涉技术就是把很多台射电望远镜对同一目标观测的结果,或者通过光纤信号传输,或者通过原子钟同步,再经超级计算机后期处理,综合每台射电望远镜的数据,模拟使用一台超大口径射电望远镜的观测结果,以达到超高的分辨率。

有了射电干涉技术,射电天文学家就可以跨越大陆、大洋,将距离遥远的射电望远镜连在一起,因为这样的射电望远镜口径不再是单天线望远镜的直径(目前最大的是我国贵州FAST望远镜,口径500米),而是连接在一起形成望远镜阵列的望远镜中,最远端的两台望远镜间的距离(在地面上的极值可以是地球直径)。再利用综合孔径技术(将不同射电望远镜观测到的辐射信号按其相位进行叠加,相同相位的信号得到增强,而相位相反的信号则互相抵消),从而将射电望远镜的分辨率提高万倍。

位于美国新墨西哥州的甚大望远镜阵列(VLA)拥有27台射电望远镜,可以组成371条不同的基线(即从被观测天体的角度看来,任意两台射电望远镜间的距离)。基线的数量越多,基线越长,在射电波段观测得到的图像分辨率就越高。印度的巨型米波射电望远镜,是已建成的有物理连接的最大射电望远镜阵列。正在建造的欧洲低频阵列则由2万个小型天线组成,分布在48个不同的台址,其分辨率相当于一台口径几百千米的望远镜;大名鼎鼎的甚长基线(VLBI)干涉阵列拥有长达几千千米的基线,是射电干涉以及综合孔径技术应用的翘楚。

平方千米阵列望远镜开辟新历史

说到这里,我们就不难看出SKA为什么会成为全球天文学家关注的焦点:无论是基线的长度,还是一次投入观测的望远镜数目,都远远优越于目前已有的射电望远镜阵列;望远镜所在的西澳大利亚和南非都远离人口密集的城市,无线电干扰可以降至最低。位于西澳大利亚的SKA低频射电天线阵列将由分布在核心区域和三个旋臂的512个台站构成,观测的最长基线可达65千米,每一个台站都包括大约250个独立的偶极天线,意味着需要安装的天线总数将多达13万。

地处南非的中高频射电天线阵列也采用类似的建造模式,133个陆续新建的台站将与南非已有的64架碟形射电望远镜一同组成大型射电望远镜阵列,最远基线长达150千米。排列在三个旋臂上的200架望远镜覆盖33平方千米的区域。

SKA的终极目标则更加宏伟,是上述望远镜阵列规模的十倍。其中澳大利亚部分的低频射电望远镜总数量将达到100万台,以南非为中心的中高频射电望远镜总量为2000台,将分布在博茨瓦纳、加纳、肯尼亚、马达加斯加、毛里求斯、莫桑比克、纳米比亚和赞比亚等八个非洲伙伴国境内。预计2025年左右,SKA就能够运行部分阵列开始天文科学探测工作。

史诗般的SKA让天文学家踌躇满志,这从SKA的科学目标涵盖的范围就可见一斑:挑战爱因斯坦的广义相对论(探求引力本质)、生命摇篮(搜寻地外文明)、星系形成、宇宙学和暗能量、探测宇宙曙光等等,全部是天文学最前沿最具吸引力的课题。SKA究竟会给我们带来多少惊喜,让我们拭目以待!

延伸阅读

“中国贡献”日益凸显

中国作为SKA项目最早的发起国之一,自上世纪90年代起就积极参与SKA的筹建工作。随着我国科学技术水平飞跃式的发展,对SKA项目的“中国贡献”也日益凸显出来。

庞大的望远镜阵列在以超高分辨率和超高灵敏度极速完成巡天观测的同时,必将产生前所未有的超大数据量。2019年11月,由中科院上海天文台牵头的科研团队成功研制出SKA区域中心原型机。原型机的计算模块采用了新型数据岛架构,将整个数据中心分成若干个小区域或多个子数据中心,既可以独立执行数据处理任务,也可以根据需求灵活重组资源,满足SKA多任务并行处理的要求。

在SKA项目的进程中,“中国贡献”不只体现在以数据处理原型机为代表的“软实力”方面。中国电子科技集团公司第五十四研究所于2018年2月完成了SKA反射面天线首台样机的设计制作,展现了SKA项目“中国贡献”的“硬实力”。由于需要建造的天线数量众多,SKA组织对天线价格、建设速度和运行维护的费用等都提出了近乎苛刻的要求。我国提出的天线设计制作方案正是凭着“物美价廉”的高性价比力压群芳,在2015年11月召开的天线设计方案国际评选会上,被国际评审委员会一致推荐为SKA天线的唯一研发方案。

(作者为北京天文馆副馆长)

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