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      SKA:人類認識宇宙的新紀元

      文章來源:上海天文台  |  發布時間:2020-03-16  |  【打印】 【關閉

        

         導讀: 

        由宏偉科學目標驅動的平方公裏陣列射電望遠鏡(Square kilometer Array, SKA)將是人類有史以來建造的最大射電望遠鏡,由全球十多個國家共同出資建造、運行、維護和管理,是一部超越國界的全球大科學裝置。SKA總部位于英國,兩個台址將位于澳大利亞、南非及南部非洲8國的無線電甯靜區域,由分布在3000公裏範圍內的250015m 口徑碟形天線、250個直徑60m 的致密孔徑陣列以及130萬只對數周期天線組成的稀疏孔徑陣列組成,其等效接收面積達平方公裏級,頻率覆蓋範圍50MHz-20GHzSKA是一部快速傅裏葉變換望遠鏡、數字化望遠鏡和軟件望遠鏡,體現諸多當代科學技術的最新和最高成就,並將推動全球制造、通信、計算、能源等一系列産業的迅速發展。SKA將于2021年開始建設,第一期工程到2028年建成總規模的10%SKA作爲遙望宇宙的巨眼,必將爲人類帶來全新的宇宙信息,取得一系列重大科學發現。 

        

        

        目前,平方公裏陣列射電望遠鏡(SKA)已經進入關鍵階段:201911SKA上海工程技術大會後,SKA各工程工作包全面通過了關鍵設計評審,標志著SKA從設計階段正式邁入工程實施階段。根據目前規劃,2028年,SKA第一階段建設總規模的10%(簡稱SKA1)之總目標將實現並投入觀測,成爲劃時代的天文學超級大科學裝置,將帶來射電觀測天文學領域的巨大變革。SKA將從深度和廣度、全方面[z1] 和全時域的四維維度揭示宇宙的演化規律,孕育重大科學發現和突破。 

        這是繼2012年國務院授權科技部代表中國參加SKA建設准備階段、2019年包括中國在內的七個創始成員國正式簽署SKA天文台公約,成立平方公裏陣列天文台(SKAO)政府間國際組織之後的又一個SKA發展史上的裏程碑:SKA已經從概念設計轉向工程實施,而中國已經從參與SKA設計建設階段轉向使用SKA取得卓越科學發現的准備階段。 

        作爲國際SKA大家庭的一員,中國參與SKA的最大驅動和終極目標是獲得豐碩的科學回報。中國SKA科學團隊在秉承國際合作開展大科學研究的前提下,經過長期探討、廣泛征詢、充分論證和頂層設計,確立了中國SKA清晰的科學目標和發展路線圖:即在SKA1實施階段,確保兩個優先突破領域(宇宙黎明和再電離探測;脈沖星搜尋、測時和引力理論檢驗)和若幹具有中國特色的研究方向,概括爲‘2+1’推進戰略。此發展戰略與國際SKA1遴選的優先科學目標高度契合。中國SKA科學團隊在首席科學家武向平院士帶領下,完成了《中國SKA科學報告》,詳盡描繪了中國參與SKA的科學基礎和目標,展現了中國參與SKA的宏偉科學藍圖。目前,中國SKA科學團隊正在科技部中國SKA辦公室領導下,凝練和部署未來中國SKA科學實施方案。 

        

        以宏偉科學目標驅動的SKA,未來觀測時間分配和科學目標實施有其獨特的政策。優先和重大科學目標將占據SKA1首批啓動的觀測任務之大部分時間。而這些以發揮SKA巡天優勢的優先和重大項目,科學目標明確,占用望遠鏡資源多,非任何一個科學家個人所能承擔,團隊合作、共同研究將成爲實現SKA優先和重大科學目標的主流。個人的業績和國家的榮譽,最後將體現在所參與項目的貢獻和重要性上。我們要逐步習慣于這種新的科學研究國際合作模式,目前和未來越來越多的重大科學項目都非個人所能完成,重大科學問題研究的全球化進程正在加速,而SKA將是科學研究全球化的典型代表和先鋒。我們所制定的‘2+1’科學發展戰略,大部分將融入SKA科學研究的國際大家庭中,未來SKA從重大科學發現中體現中國貢獻將是我們賴以追求的目標。 

        我國SKA2+1’科學發展戰略之‘2’無疑將是優先發展和重點支持的兩個領域: 

        1. 宇宙黎明和再電離探測 

        2. 脈沖星搜尋、測時和引力理論檢驗 

        而‘2+1’科學發展戰略之‘1’則包括以下八個研究方向: 

        1. 中性氫巡天和宇宙學研究 

        2. 宇宙磁場 

        3. 星際介質 

        4. 暫現源探測 

        5. 活動星系核和黑洞 

        6. 中性氫星系動力學和演化 

        7. 生命搖籃 

        8. 超高能宇宙射線低頻探測 

        未來十年內,中國SKA将围绕这十个科学方向开展研究和攻关,并根据国际大环境结合中國自身特点,对科学研究方向进行实时调整和更新,同时注重培育和扶持一批新兴的、有潜力的科学研究课题。全面提升我國未来使用SKA1的競爭力。 

        中國SKA十大科學方向: 

          

        一、宇宙黎明和再電離探測 

                                                 (供稿:武向平 中國科學院国家天文台/上海天文台) 

        追溯宇宙演化的長河,隨著138億年前大爆炸的余晖逐漸散去,宇宙曾經曆過一段漫長的黑暗時期。忽然有一天,在宇宙的深處,誕生了第一代發光天體,這些天體的光芒逐漸照亮了整個宇宙,從此給我們的宇宙帶來了蓬勃的生機,這段時期被稱爲宇宙黎明和再電離時期。 

        宇宙黎明和再電離時期探測被SKA1列爲首要科學目標之首,就是要探測到宇宙中誕生的第一縷曙光,以期揭示宇宙從黑暗走向光明的曆史,拓寬人類觀測和認識宇宙的能力,填補人類認識宇宙的空白。這也是當今觀測宇宙學最熱門和最具挑戰性的課題。 

        來自宇宙黎明和再電離的中性氫輻射信號非常微弱,被淹沒在茫茫的前景輻射之中,捕捉到異常困難。SKA將是人類有史以來建造的最大射電望遠鏡,是探測宇宙第一縷曙光的絕佳利器,與目前正在運行的SKA探路者相比,SKA1-low是唯一可實現宇宙再電離成像觀測的試驗裝置。我們期待在SKA1的低頻波段,人們在不久的將來可以撥開重重迷霧,追尋到宇宙的第一縷曙光。 

        

          

        

                                                   二、脈沖星搜尋、測時和引力理論檢驗 

        (供稿:李柯伽 北京大学) 

        SKA把脈沖星觀測研究列爲兩大核心科學課題之一,因爲對脈沖星的觀測研究可以提供物質世界運動規律兩個核心問題的答案:1、物質的存在和運動規律; 2、物質存在所占據的時空的運動規律。對于第一個問題,常見的物質是原子核和電子組成的,而目前原子核涉及強作用低能行爲,其物理規律還需要進一步探索。對于第二個問題,目前認爲:探索時空本質,即研究引力物理規律。 

        脈沖星是一種極端致密的天體,其密度和原子核密度相當,是理想的宏觀強相互作用實驗室。因其極端致密,脈沖星旋轉穩定性與國際原子鍾組可以相媲美。通過監測脈沖星發出的周期信號及其變化,可以直接探索脈沖星到地球之間的時空結構,從而檢驗描述時空的基本物理定理。 

        

          

        三、中性氫巡天和宇宙學研究 

        (供稿:陈学雷 中國科學院国家天文台) 

        現代宇宙學認爲宇宙起源于大爆炸,但是大爆炸究竟是怎樣發生的、大爆炸之前有沒有宇宙?占宇宙總密度95%的暗能量和暗物質究竟是什麽?這些問題仍然是有待解答的重大科學難題。平方公裏陣列SKA 爲觀測從大爆炸直到今日的宇宙演化過程提供了強有力的觀測手段,有望爲解開宇宙起源、暗能量與暗物質之謎等重大宇宙學難題提供重要線索。 

        

        氫元素占宇宙普通物質總量的76%,分布十分廣泛,通過觀測宇宙氫原子産生的譜線即中性氫巡天,SKA可以繪制出不同時期的宇宙三維圖像,從而展示宇宙中的物質是怎樣在引力作用下從早期的均勻分布逐漸演化形成非均勻的星系大尺度結構。而通過對大尺度結構的精密測量,又可以分析暗物質和暗能量的性質,以及宇宙早期初始狀態的信息。此外,在這種大面積的巡天中也可以探測到大量宇宙射電源,對其分布的統計分析也可以爲宇宙學研究提供寶貴的數據。 

        四、宇宙磁場 

        (供稿:孙晓晖 云南大学) 

        宇宙中不同層次的天體,如行星、恒星、星系和星系團,都有磁場。銀河系中大約有上千億顆恒星,在恒星之間充滿了氣體、塵埃還有磁場。磁場像粘在氣體上一樣,跟隨著氣體一起運動。氣體一方面繞銀河系中心旋轉,另一方面隨機運動,所以銀河系的磁場像一個複雜的網絡(如圖6)。目前的觀測發現銀河系磁場非常弱,強度大約只有地球磁場的百萬分之一,但是由于銀河系體積非常大,所以磁場的能量非常大。這麽大的能量使得磁場在銀河系的演化過程中起重要作用。同時我們也想問磁場是從哪兒來的呢?又將如何演化呢?這些問題的解答需要依靠將來SKA的大規模偏振巡天觀測。 

        

        五、星際介質 

        (供稿:朱辉 中國科學院国家天文台) 

        星際介質,顾名思义就是介于恒星之间的物质。它主要由气体、尘埃和宇宙线组成,广义的定义还包括辐射场和磁场。星際介質广泛存在于宇宙空间,密度远小于空气(将空气的密度稀释10^21倍,就是星際介質的典型密度)。但是星際介質对于星系的重要性却不亚于空气对于地球的重要性。这是因为组成星系的基本单元恒星就是在星際介質中孕育的。可以说星際介質在我们了解宇宙起源、天体起源和生命起源的过程中,占有至关重要的位置。正因为如此,星際介質的研究一直是天文学研究中的重要领域。射电天文学的发展史,几乎就是一部人们对星際介質的认识史。从第一张银河系射电天图的诞生到中性氢的发现,再到星际有机分子的发现,每一次射电望远镜观测技术指标的提升,都会带来人类对星際介質认识的重大突破。相对于现有射电望远镜,SKA无论是在灵敏度还是在分辨率上都有一个量级上的提高,因此期待它在星際介質研究中为我们带来新的惊喜  

       

        六、暫現源探測 

        (供稿:李菂 中國科學院国家天文台) 

        中子星並合引力波事件GW 170817的探測正式開啓了多信使天文學,同時也揭示了宇宙在時間維度上存在著豐富多變的爆發現象,包括引力波對應體,黑洞暫現源,快速射電暴等等。快速射電暴(Fast Radio BurstFRB)是一種來自遙遠星系的射電波段最亮的頻繁的瞬間爆發現象,每天到達地球的可探測脈沖高達幾千至上萬次。雖然有上百種模型發表,但尚無其起源的完整、合理解釋。自2007年發現以來,FRB已成爲射電天文領域最熱門的前沿,每個月都有重要的新發現或高影響力文章發表,多次登上《自然》、《科學》等雜志封面,孕含了致密天體物理、宇宙學、星系演化甚至基礎物理學重大突破的機遇。隨著各國SKA先導望遠鏡的上線,已有上千個FRB被发现。我國的FAST望遠鏡是世界上最靈敏的望遠鏡,是對FRB开展深入观测的利器,目前已经取得了新射电暴,新重复暴,重要爆发源的最大脉冲样本等重要结果,多篇文章投稿或撰写中。利用我國设备的特有优势,深度观测FRB,組織國際國內多波段設備協同觀測FRB及黑洞暫現源,搶先取得成果,爲競爭SKA相關課題奠定基礎。 

        

        七、活動星系核和黑洞 

        (供稿:袁峰 上海天文台) 

        宇宙中幾乎每個星系中心都存在一個超大黑洞,黑洞周圍的氣體在黑洞引力的作用下會往黑洞下落形成吸積盤,在此過程中會發出強烈的輻射和物質外流(包括噴流和風)。這樣的星系核因此被稱爲“活動星系核”。這些輻射和物質外流在星系中能夠傳播得很遠,並與星系中的星際氣體發生相互作用,改變氣體的溫度、密度、分布等物理狀態。氣體物理狀態的改變會影響恒星形成的快慢以及多少,因此影響整個星系的演化,這就是所謂的“活動星系核反饋”,目前被廣泛認爲可能是解決星系演化研究中遇到的一系列疑難問題的關鍵,是目前天體物理研究中最前沿的課題之一。 

        

        八、中性氫星系動力學和演化 

        (供稿:朱明 中國科學院国家天文台) 

        星系的形成和演化是本世紀最關鍵的天體物理課題之一。氫是宇宙最豐富的元素,中性氫(HI)是星系的基本組成成分,星系的形成是由中性氫雲團在引力作用下塌縮而開始的,而星系演化的過程就是中性氣體不斷冷卻變密形成分子氣體進而塌縮形成恒星的過程。因此,研究宇宙中中性氫的含量和分布及其隨時間的演化是我們了解星系成長的物理過程的主要手段。另一方面,中性氫遍布于整個星系,尤其是在星系外圍,已經看不到星光的地方,還有大量中性氫氣體。通過中性氫觀測可以看到很多肉眼看不到的現象。中性氫分布極易受外力的影響,分析中性氫氣體的運動規律可以揭示其背後控制氣體運動的秘密。例如看到下圖中旋渦星系的旋臂結構我們知道星系在旋轉。但旋轉得快的時候,如果沒有足夠的引力,氣體應該被離心力甩出星系。可是觀測卻不是這樣的。因此天文學家猜想星系中存在一些看不見的物質,提供了額外的引力,從而保證了星系中的中性氫氣體不散開。這些看不見的物質就是“暗物質”。中性氫動力學的研究目的就是通過定量分析氣體圍繞星系轉動的旋轉曲線來揭示星系中的暗物質分布。此外,在星系團環境中通過中性氫觀測可以探測到星系相互作用遺留下來的痕迹,揭示外部環境對星系演化的作用。 

        

        九、生命的搖籃 

        (供稿:张泳 中山大学) 

        人類從古至今都在不停思索生命的起源。自從徹底摒棄“地心說”後,人們越來越沮喪地發現我們的地球只是宇宙中一顆毫不起眼的天體,那麽,宇宙中是否還存在能夠孕育生命的地方呢?這些生命是否能夠像人類一樣進化出高級文明呢?我們究竟從何而來?對這些問題的拷問,在哲學、社會、宗教等領域有深刻的意義。在宇宙中簡單的原子分子最終形成孕育生命形成的星球,太空環境中複雜有機分子最終形成生命,這個過程到中到底何種因素起著決定性作用,這是科學家希望利用新一代望遠鏡回答的問題。人類幾千年的文明和宇宙演化時間相比只是一瞬間,近百年科技飛速發展催生的病毒和能源危機成爲摧毀人類文明的潛在威脅。如果在茫茫宇宙中,我們能夠接收到另一個高級文明發出的信號,這將給人類信心,能夠如此文明一樣戰勝危機讓地球文明長期持續下去。我們可能正處于摒棄生命科學的“地心說”的時代。 

          

        十、超高能宇宙射線低頻探測 

        (供稿:黄滟 中國科學院国家天文台) 

        浩瀚的宇宙遠沒有看起來這般平靜,各種天體的劇烈活動産生了大量的高能宇宙粒子,每時每刻,都有成千上萬個來自宇宙深處的高能粒子和中微子轟擊著地球,提供了天然的和零成本的高能粒子加速器。這些高能宇宙粒子和中微子作爲極端宇宙的獨特信使,承載重要的宇宙信息。 

        長期以來,人們研究高能宇宙射線都是借助于探測器手段(如LHAASO)。利用低頻無線電手段探測高能宇宙射線是近年來隨著數字化和計算機技術發展而應運而生的新手段,巨大地降低了造價,提高了靈敏度,具有廣泛應用前景。 

        利用低頻射電方法來探測高能宇宙射線被列爲SKA的前瞻科學目標之一,SKA爲此專門設立了“高能宇宙粒子”焦點工作組。SKA1-low 的高密集核心布設提供了探測高能宇宙射線産生的低頻無線電輻射的絕佳機會。另外,利用SKA1-mid 的靈敏度優勢,將會首次在月面上觀測到高能宇宙中微子和高能宇宙射線與月面的作用。 

        

        結束語: 

        目前中國SKA確立的十個科學研究方向與國際SKA1科學目標高度契合。然而,這種高度的契合一方面意味著我們選擇的正確,但另一方面卻意味著巨大的挑戰:未來,我們將要在SKA的國際合作和競爭中求發展,生存環境將會變得更加具有挑戰性,科學的第一發現將更需要雄厚的實力作保障。在此複雜背景下,我們將迎接SKA帶來的機遇和挑戰,不負重托,努力開拓前沿科學領域,追求卓越科學目標,力爭取得豐碩的科學回報,在探知神秘宇宙中創造奇迹和輝煌! 

        


       

        
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