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“世界巨眼”SKA迎来历史性时刻

来源:光明网2019-03-15 18:39

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  “世界巨眼”SKA迎来历史性时刻

  3月12日,国际大科学工程——平方公里阵射电望远镜(Square Kilometre Array, SKA)计划迎来重要里程碑。来自超过15个国家的部长、大使、高级代表齐聚罗马,共同见证了国际SKA组织天文台公约签字仪式。澳大利亚、中国、意大利、荷兰、葡萄牙、南非、英国共七国政府签署了SKA天文台公约,中国科技部副部长张建国代表我国签署了公约。

  公约的签署标志国际SKA组织正式开启向政府间国际组织(IGO)过渡的进程,SKA组织将成为继欧洲南方天文台之后,世界上第二个以天文学研究为目标的政府间国际组织。包括中国在内的7个首批签约国将成为SKA政府间国际组织的创始成员国。

  SKA是什么?

  SKA是我国目前参加的继国际热核聚变实验(ITER)(即俗称的“人造太阳”计划)之后第二大国际大科学工程,也是我国参加的首个全程参与并扮演重要角色的国际大科学工程。

  SKA分别建在南非和澳大利亚,英国是SKA的永久总部国。目前国际SKA组织的成员国包括:澳大利亚、加拿大、中国、法国等13国。

  SKA将成为人类在地球上建造的迄今规模最大的一套科学设施。它是由2500面15米口径的碟型天线、及超过一百万个低频天线等单元组成的阵列式射电望远镜,分布在3000公里的范围内。SKA是集大视场、高灵敏度、高空间分辨率、高巡天速度、宽频段范围等诸多卓越性能于一身的革命性设备,其频率范围从50MHz到20GHz以上,空间分辨率可高出哈勃空间望远镜两个数量级,达毫角秒级。SKA同时也将是一套世界最先进的IT系统,它睁开巨眼看宇宙时,“一网打尽”的宇宙信息量如此之大,以致其每秒产生的数据量,比当今全球英特网的数据流量总和还要高。

“世界巨眼”SKA迎来历史性时刻

图:SKA第一阶段的望远镜示意图,包括由近200面碟型天线组成的中频阵,及由13万个低频天线组成的低频阵(来源:国际SKA组织)

  SKA将分阶段建设。第一阶段建设约10%的SKA,预计2020年底开工建设,2027年左右完工。剩余的望远镜单元将在第二阶段建设,全部建成在2030年以后。SKA第一阶段建成后,将具备约10%的SKA能力,但即便以这不足一成的功力,SKA就足够称霸世界了。SKA第一阶段的建设和运行费总计估价约16亿欧元。

  SKA将与詹姆斯韦伯空间望远镜、下一代巨型光学望远镜、欧洲核子中心的强子对撞机LHC、引力波天文台LIGO、及热核聚变实验ITER等一起成为人类21世纪进行物理学重大发现的神器。

  SKA的科学目标

  SKA的科学目标涵盖广泛,包括:(1)揭示宇宙137亿年历史中的头1亿年,宇宙是如何被第一批星星点亮的,即宇宙如何从黑暗走向黎明的第一缕光问题(2)利用脉冲星检验强场下的引力,及检验爱因斯坦广义相对论(3)利用脉冲星计时阵直接探测超大质量双黑洞产生的引力波(4)宇宙磁场探测(5)宇宙大尺度结构及暗能量、暗物质(6)星系形成与演化(7)宇宙中生命的起源(8)地外文明(9)宇宙快速射电暴之谜(10)完全未知的东西,即所谓“unknown unknowns”,等等。

“世界巨眼”SKA迎来历史性时刻

图:SKA碟型天线阵的空中鸟瞰图(效果图,来源:国际SKA组织)

  为迎接SKA时代的到来,中国天文界正在做充分的科学准备。在中国SKA首席科学家、中科院国家天文台武向平院士牵头下,我国天文界已形成11个科学工作组,并已完成《中国SKA科学白皮书》中、英文版。面向未来的中国SKA人才培养探路计划,如与SKA台址国澳大利亚和总部国英国合作的“中-澳、中-英SKA联合博士生计划”已执行多年。

  国际SKA组织为什么一定要创建政府间国际组织(IGO)?

  国际SKA组织成立于2011年,初始为一家注册在英国的非营利性公司,但为了SKA的根本利益与长远发展,必须过渡为IGO。IGO的优越性在于,各成员国参与SKA是国家行为,不因政府的更迭而受影响(政府更迭在很多国家是频繁发生的事情)。因此,SKA公约经各国政府签署后,还必须报请各国议会(我国是全国人大)批准方能生效。IGO将确保SKA天文台至少50年的安全稳定运行。另外,IGO将保障SKA在工程采购、雇员工资等方面享受国际组织的免税待遇。这将极大节省各成员国的出资负担。

“世界巨眼”SKA迎来历史性时刻

图:目前参加SKA的国家,遍布世界五大洲,占据了全球人口的近一半(来源:国际SKA组织)(注:尚未包括刚签约的葡萄牙,以及数个未来可能加入SKA的观察员国家)

  签署SKA公约为什么重要?

  根据规则,SKA公约经首批国家签署后,须经(3+2)个国家的议会批准后方能生效。即目前签字的这7个国家,在全部三个东道国及两个非东道国的议会批准公约后,则IGO自动生效并开始正式运作。相应地,首批签署公约的国家,将成为IGO的创始成员国,并在国际SKA组织中享有最多的权利。

“世界巨眼”SKA迎来历史性时刻

图:SKA第一阶段的望远镜能力与世界上现有主要射电望远镜的对比(来源:国际SKA组织)

  为什么目前SKA成员没有全部签署公约?

  首先,作为政府间国际组织,参加方必须是各国政府。目前SKA组织中,大多数参加方都是政府,如中国、南非是科技部,澳大利亚是工业与科学部等。但同时也有一些国家的参加方并非政府部门,如加拿大是国家研究理事会,法国是国家科研中心,他们不能签署公约。另外,一些国家由于各种原因,暂时还未做好签署公约的准备。不能签公约的国家,只能作为IGO的准成员参加SKA,且在未来的SKA理事会中不享有投票权。

  中国在SKA中发挥的重要作用

  中国在国际SKA计划中一直发挥着重要作用。早在上世纪90年代初,中国即与全世界十个国家一起,共同发起设计建造SKA(当时叫LT,即Large Telescope)的倡议,是SKA概念的最初提出者之一。中国的SKA方案(后来发展出FAST)多年来一直是国际SKA的候选方案。2011年,中国作为创始国,共同创建了国际SKA组织。中国全程参与了SKA计划的所有过程,自始至终是SKA的坚定支持者。

  中国将在SKA建设中发挥关键作用。中国目前是SKA国际工作包联盟中的天线工作包联盟的主席(SKA各工作包中造价排第一的工作包)。经过激烈竞争,中国方案成为该工作包联盟的唯一候选方案,首台15米天线样机已于2018年2月在中国电科54所建成。另外,中国在时间同步、及低频阵等工作包中也将发挥重要作用。

  另外,中国也是SKA成员国中明确表达建设本国SKA区域中心计划的国家。

  国家天文台在中国SKA中的作用

  国家天文台是SKA计划的共同发起者和全程参与者,2011年共同创建国际SKA组织,并曾代表中国参加SKA。我国天文界参与SKA国际谈判及董事会或工作组的专家均来自国台,他们配合科技部,不辱使命,维护了我国参加SKA的国家利益。从设备上,国台的FAST与SKA形成很好的互补与承启关系,而国台的21CMA低频阵作为我国SKA低频探路者积累了大量宝贵经验。

“世界巨眼”SKA迎来历史性时刻

图:科技部王志刚部长一行于2018年7月访问南非SKA台址,在中国电科集团54所建造的SKA原型天线前合影(图片来源:科技部)

  作者:秦波,系中国科学院国家天文台研究员,博士导师,SKA科学部主任。分别任国际SKA组织战略委员会、出资工作组、财政协定工作组等成员。

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