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浩瀚苍穹,带给人类永恒的好奇;仰望星空,离不开帮助人类“极目远眺”的望远镜——从天文到物理,中国正在积极参与国际大科学工程。

近期,中国平方公里阵列射电望远镜(SKA)启动大会在北京召开。中国作为SKA的发起者、倡导者和研制者,成为SKA建设中不可或缺的重要力量。

贵州深山中的“中国天眼”,让中国科学家有机会走到人类“视界”的最前沿。而SKA可谓是超越国界的“世界巨眼”。

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作为全球大科学装置,SKA也是迄今为人类计划建造的最宏伟的天文观测设备之一,将主导未来射电天文学50年的发展命脉。SKA不仅能给中国在基础科学前沿领域带来丰厚和突破性的回报,也是中国科技长远发展的全球布局。

中国科学院院士、中国科学院上海天文台名誉台长叶叔华在第四届世界顶尖科学家论坛上对第一财经记者表示:“SKA是目前天文学领域最大的国际合作项目之一,这就需要各国以开放合作的态度参与进来。现在上海天文台已经有一些仪器设备可以接受来自合作方的数据,这对于开放科学推动科学进步是有重要意义的。”

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提升国际大科学合作参与度

科技部部长王志刚在启动大会上强调,国际大科学计划和大科学工程已成为世界科技创新领域重要的全球公共产品和提升本国创新能力的重要合作平台,要充分把握我国参与SKA的绝佳机会,不断提升国内相关领域研究能力,积累国际大科学工作管理经验,在国际重大科技议题和规则的倡导、推动和制定等方面多做高水平的工作。

未来全球由三个非常不同的项目在观测着宇宙深空。第一个项目是有“中国天眼”之称的500米口径球面射电望远镜(FAST);第二个项目是加拿大氢元素强度测绘实验(CHIME)望远镜,它由四个100米长的半圆柱形接收器组成,每天都会扫描整个北半球上空;第三个项目就是平方公里阵列射电望远镜SKA项目,这是一个多国共同开展的大型科学项目,也被称作“世界巨眼”,这是一个完全数字化的射电望远镜阵列,一期项目建设的投入就达到20亿美元(约合128亿元人民币)。

叶叔华对第一财经记者表示,SKA是一个宏大的科学项目,不仅需要巨大的资金支持,也离不开数据和信息的共享。

据介绍,SKA是由大量小单元天线构成绵延至上千公里的综合孔径阵列,集大视场、高灵敏度、高分辨率、宽频率范围等卓越性能于一身,其科学研究目标包括第一代天体如何形成、星系形成与演化、暗能量性质、宇宙磁场、引力本质、生命分子与地外文明等。关于这些问题的任何突破,都将引发自然科学的重大变革。

SKA的革命性设计也意味着难以想象的超大信息量和数据量,颠覆了射电天文学的传统研究手段,给射电天文学创新研究带来全新理念。

“当我们谈论开放科学的时候,不仅仅是说数据合作的开放,让适合的人都可以参与进来,更多的是说基于对等的开放。”叶叔华对第一财经记者表示,“开放是不是对等很重要,比如说你开放少了,我开放多了,这就影响到了彼此的收益。”

2021年初,平方公里阵列天文台成立并开始正式运行,其总部设在英国,望远镜台址位于澳大利亚和南非。第一阶段建设于2019年开始,历时5年完成约10%的体量;第二阶段将建设其余的部分,预计于2030年全部完成。今年7月,SKA天文台启动望远镜建设工作,SKA正式步入建设阶段。

天文学靠大设备说话

这一宏大的天文学工程被认为将推动全球制造、通信、计算、能源等一系列产业迅速发展。中科院院士、中国科学院国家天文台研究员、SKA中国首席科学家武向平在上海举办的世界顶尖科学家论坛上表示:“天文学是靠大设备说话的,因此拥有大国重器非常重要。我们现在的望远镜(天眼‘FAST’)向全世界开放,效果是非常好的。”

FAST是世界最大单口径、最灵敏的射电望远镜。借助这只巨大的“天眼”,科研人员可以窥探星际之间互动的信息,观测暗物质,测定黑洞质量,甚至搜寻可能存在的星外文明。

FAST还将围绕“中国天眼”建设引力波探测研究、射电天文大数据等科技中心,发挥引领作用。

中国科学院国家天文台数据显示,截至目前,“中国天眼”已发现340余颗脉冲星,是同期世界上其他所有望远镜发现脉冲星总数的3倍以上。

武向平认为,在天文学领域坚持自主研究和国际合作相结合非常重要。他除了负责FAST项目之外,还在推动中国SKA项目的建设,以实现望远镜单口径和干涉阵列的协同发展。他表示,中国参加SKA的主要目的是追求宏伟科学目标和取得丰硕的科学回报。

在近期举行的SKA启动大会上,武向平透露,中国射电天文学的战略是在国内立足单口径FAST,在国际上参与干涉阵列SKA。

据介绍,中国的科学团队还计划建设SKA区域数据中心,使中国科学家不出国门也能便捷使用数据产出科学成果,并吸引国际伙伴来中国进行科学研究和交流。

重大突破,科研仪器先行。要证明前人的理论,后人的实验验证是关键,这就必须用到大科学装置。

“SKA第一阶段将带来革命性的科学发现,颠覆我们对宇宙的认识。在中国,SKA科学的最大挑战是,如何把观测数据转化为科学发现。”武向平表示。

“世界巨眼”搜寻外星生命

一直以来,人们探索宇宙空间的脚步从未停止,望远镜是人们遥望宇宙的“巨眼”。武向平在谈到为何要建“巨眼”工程时表示:“望远镜分布在世界各个角落,观测同一目标时既要记录信号也要记录时间,不同的时间在干涉研究前需事先转换,影响效率。于是科学家们想到把望远镜的传统干涉技术与线控雷达技术相结合,建造一台信息化时代的射电望远镜。”

基于上述设想,包括中国在内的十多个国家共同组成了平方公里阵列射电望远镜国际组织,SKA应运而生。SKA的两个优先科学目标是,寻找宇宙中第一个形成的天体——“看到宇宙的第一缕光”;以及寻找脉冲星,探索暗物质和暗能量的本质问题。

叶叔华对第一财经记者表示,天文学领域近年来取得的突破主要依靠基础研究以及设施的巨大投入,比如首张黑洞照片发布的背后就受益于全球性的事件视界望远镜(EHT)大科学合作项目。

为了这一项目,200多名来自全球的科学家在世界的各个角落,将他们的望远镜对准了室女A星系(M87),观测期间大约持续了10天左右,各个望远镜观察到的数据量加起来足有3600TB,光是数据处理就花费了长达两年时间。

中国正在参与下一代EHT的建设。一位天文学专家对第一财经记者表示:“EHT其实可以视为SKA项目的一部分,是其中的一个科学任务。”

不管是“中国天眼”,还是EHT和SKA,都是为了探索人类文明和宇宙的起源。叶叔华表示,基础研究看似“无用”,但是对于人类增强对宇宙的认识是很重要的,比如研究黑洞和暗物质,对这些物质进行长期的观察,以发现其中的变化和规律。

在被问及是否相信外星生命的存在时,叶叔华对第一财经记者表示:“我想外星生命应该是有的,宇宙那么浩瀚,难道只属于人类吗?”

她认为,未来凭借多种观测手段,人类一定会有所发现。“当然这也取决于人们研究的方法和方向是否正确,很有可能在很长一段时间你都一无所获。”叶叔华说。

今年95岁高龄的叶叔华是中国天文界的泰斗级人物,浩瀚夜空中有一颗小行星以她的名字命名。今年第一次参加世界顶尖科学家论坛的叶叔华告诉第一财经,她现在仍然每天都会去徐家汇天文台的办公室工作,做一些感兴趣的事情。

“像前辈一样,只有天天摸着望远镜做观测,才能发现前沿的问题,从观测角度做出更多原创的、世界领先的成果。”一位青年天文学家对第一财经记者表示。

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