參與SKA國際大科學工程回答宇宙的最基本問題

文/左琛 張弛

平方公里陣列射電望遠鏡（SKA）是一項由全球多國參與的國際大科學工程，旨在建造和運行世界最大規(guī)模綜合孔徑射電天文望遠鏡，主要工作在厘米—米波電磁波段，以大量小單元天線匯聚實現(xiàn)綜合孔徑射電干涉成像，其總接收面積達一平方公里。

SKA由政府間國際組織——平方公里陣列天文臺負責建設運行，澳大利亞、中國、意大利、荷蘭、葡萄牙、南非、瑞士、英國、加拿大、法國、德國、印度、日本、韓國、西班牙、瑞典等國家參與建設。平方公里陣列天文臺總部設在英國，兩個臺址國為南非和澳大利亞，分別設立由數(shù)百個反射面天線和數(shù)千個小天線陣組成的陣列。SKA的巨大尺寸和天線數(shù)量意味著，其建成后將在靈敏度、分辨率和巡天速度上取得重大飛躍——高靈敏度將使它能夠比現(xiàn)有的望遠鏡看到更深遠的宇宙；高分辨率使它能夠揭示比以往觀測到的更清晰的細節(jié)；大視場使它可以一次看到更多的天空，極大地提高巡天速度，這些卓越性能決定了SKA建成運行后將探索發(fā)現(xiàn)宇宙中的一些重大科學問題。

SKA的科學目標：探索宇宙的最基本問題

在SKA建設準備階段，項目的具體管理機構(gòu)——國際SKA組織聯(lián)合全球20多個國家500余名頂尖科學家，共同討論確定了SKA望遠鏡的優(yōu)先科學目標，隨著相關研究不斷深入，SKA的科學目標也在不斷調(diào)整和凝練，但SKA始終致力于回答宇宙的一些最基本問題，如宇宙的第一縷曙光、宇宙的結(jié)構(gòu)形成、宇宙中的生命起源，這些問題必將開辟人類認識宇宙的新紀元。

根據(jù)SKA建設計劃，目前SKA第一階段由兩套獨立的觀測設備組合而成，分別是工作在350MHz—15.4GHz的中頻陣列和50—350MHz的低頻陣列，兩個陣列不同的探測頻段和工作原理將完成不同科學目標的實現(xiàn)。SKA第一階段的科學目標可概括為8個研究方向。

一是宇宙黎明和再電離時期探測，也被列為SKA首要科學目標之一。該方向?qū)⒒卮鹩钪嫫鹪吹年P鍵問題——何時何地產(chǎn)生了第一代恒星、星系和黑洞？通過SKA低頻陣列探測氫發(fā)出的微弱射電波，期望直接探測到宇宙的再電離區(qū)域并基于統(tǒng)計學方法給出宇宙黎明和再電離的功率譜，發(fā)現(xiàn)宇宙第一批發(fā)光天體，揭示宇宙早期從黑暗走向光明的歷史。

二是宇宙學和暗能量。過去數(shù)十年，最出乎人們意料的一件事是，構(gòu)成人體、列入元素周期表中的普通物質(zhì)僅占據(jù)宇宙總量的極少部分，其質(zhì)量還不及不可見的暗物質(zhì)的1/5。后來，科學家們又發(fā)現(xiàn)了更大量的暗能量。SKA將通過中頻陣列和低頻陣列開展中性氫星系巡天等巡天觀測，研究中性氫分布及其信號特點以及在宇宙學上的應用，揭示宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的分布特征和演化；并將通過把暗能量狀態(tài)方程測量到更高的精度，加深人類對這些神秘暗成分的了解。

三是恒星演化與形成。第一代恒星是何時以何種方式形成的？恒星形成率是如何隨時間變化的，又是為什么？起初恒星誕生于超星團的高密度區(qū)中，但如今這種超星團并不多見。這一模式何時何地首次出現(xiàn)？又為何消失？對于這些問題的解答，SKA將起到關鍵作用。通過SKA或可探測到宇宙誕生5億年時的超星團，并繪制宇宙誕生10億年時的超星團結(jié)構(gòu)圖。

四是射電暫現(xiàn)源將是SKA探測未知天體現(xiàn)象的重要渠道?？焖俸蛣×业挠钪嫔潆姳┑膶w是什么？射電暴能揭示關于宇宙的哪些組成？通過SKA低頻陣列和中頻陣列的巡天觀測和特殊天區(qū)的定點觀測，將探測來自銀河系外的快速射電暴，從而揭示宇宙中神秘射電脈沖爆發(fā)現(xiàn)象的起源，并解釋其同中子星以及致密天體并合現(xiàn)象的聯(lián)系。

五是星系演化。SKA將實現(xiàn)首次在宇宙演變的時間尺度上觀測星系演化，這種演化過程可通過原子氫的積累和消耗來追蹤。憑借其超強的原始靈敏度，SKA將能探測到遙遠的早期宇宙中星系形成前的中性氫氣體聚集現(xiàn)象。

六是宇宙磁場。磁場普遍存在于不同層次的宇宙天體中，在宇宙的誕生和長期演化過程中起著非常重要的作用。SKA能夠幫助科學家探測、研究和理解宇宙各種磁場的本質(zhì)，解釋磁場如何及何時形成并演化至今。

七是脈沖星計時和引力檢驗。脈沖星測時把旋轉(zhuǎn)極快的輻射無線電波的脈沖星當作銀河系中精確的時鐘使用。任何長周期引力波經(jīng)過脈沖星都將在毫秒脈沖星的時間測量中誘導出具有相關性的擾動。SKA將通過脈沖星計時觀測探測來自各個方向和距離的長周期引力波背景，隨著靈敏度的提高和觀測時間的增加，將有望分辨出這類引力波的各個來源。

八是生命起源。太空中的礫石如何形成行星？我們是宇宙中唯一的智慧生命體嗎？SKA的高分辨率足以觀測到恒星周圍類地軌道上行星的形成過程；SKA超高的靈敏度和特有的觀測頻段使得探測空間中的復雜有機物成為可能，將有可能首次觀測到來自臨近恒星周圍行星的類似于人類活動發(fā)出的射電信號。

我國參與SKA科學研究的部署考慮

SKA是由多國合作共建的、用于開展基礎研究的大科學裝置，將帶來大量科學突破，其科學目標的實現(xiàn)歸根結(jié)底要靠來自全世界的科學家，這些科學突破必將在各國優(yōu)秀科學家之間產(chǎn)生競爭，尤其是對望遠鏡觀測時間的競爭。早在建設準備階段，我國就積極對參與SKA科學研究的領域方向及其人才隊伍儲備上進行部署，經(jīng)過多年研討論證逐步確定了中國SKA“2+1”科學目標以及“三步走”的相關部署計劃。

中國SKA“2+1”的科學目標，具體包括十個科學研究方向。其中“2”為兩個重點科學方向，一是利用中性氫探測宇宙黎明和再電離時期，即所謂“宇宙第一縷曙光探測”；二是尋找脈沖星，并以此精確檢驗引力理論和實施引力波探測。這兩個重點方向未來將占據(jù)SKA望遠鏡主要的觀測時間?！?”為其他的八個科學方向，包括中性氫宇宙、暫現(xiàn)源、宇宙磁場和地外文明探測等。中國SKA“2+1”科學目標選定的十個科學方向，與國際SKA遴選的優(yōu)先科學目標高度契合。為了更好地遵循基礎學科的研究規(guī)律，滿足不同研究任務目標需要，科學技術部對于兩個重點科學研究方向推行了科學技術部主導、管理機構(gòu)主責、責任單位統(tǒng)籌力量的組織管理機制和責任體系，保障重點科學方向的持續(xù)投入、研究隊伍的長期擴大。

根據(jù)目前的規(guī)劃，SKA第一階段的建設將持續(xù)到2029年，而SKA第二階段的建設和全面運行則需要更長的時間，因此我國參與SKA科學研究是一個長期的、需要持久投入的過程。結(jié)合國際SKA的建設進度，我國確定了參與SKA科學研究“三步走”的分階段部署計劃。第一階段將利用SKA建成前的窗口期，集中力量發(fā)展國內(nèi)射電陣列望遠鏡數(shù)據(jù)處理技術，培養(yǎng)一批射電陣列射電望遠鏡觀測技術和數(shù)據(jù)處理人才，為未來在望遠鏡建成后能夠提出好的科學項目建議奠定基礎；第二階段即望遠鏡初步建成、調(diào)試運行期間，利用初具規(guī)模的望遠鏡進行觀測并獲得早期SKA科學數(shù)據(jù)，集中人力投入數(shù)據(jù)處理和分析，掌握SKA核心數(shù)據(jù)處理技術和軟件，凝練出部分優(yōu)勢方向，積極參與SKA國際科學工作組，提出被國際同行接納的SKA項目建議；第三階段即SKA望遠鏡正式運行后，在與國際同行合作研究中，提出被廣泛接受的項目建議，領銜SKA部分科學任務，爭取在個別領域?qū)崿F(xiàn)領跑。

持續(xù)加強SKA科學研究人才隊伍建設

基礎研究能力決定了一個國家科技創(chuàng)新能力的底蘊和后勁，是一個國家科研創(chuàng)新能力的核心所在，需要加大對冷門學科、基礎學科和交叉學科的長期穩(wěn)定支持，鼓勵廣大科技工作者勇闖創(chuàng)新“無人區(qū)”。我們知道，人才特別是尖子人才在原始創(chuàng)新中發(fā)揮著不可替代的作用，要把發(fā)現(xiàn)和培養(yǎng)創(chuàng)新型人才作為基礎研究的核心任務。

立足于中國參與SKA的科學研究目標，持續(xù)加強人才隊伍建設，加強青年人才培養(yǎng)和后備人才儲備，促進國際人才集聚和國際人才交流合作，做好SKA科學創(chuàng)新團隊的培養(yǎng)、聚集和使用。依托科學技術部SKA專項，我國已啟動了“三步走”中第一階段的任務部署，優(yōu)先開展了SKA兩個重點科學方向的項目和人才一體化實施。在已立項支持的兩個重點科學方向任務中，項目研究團隊以青年人才為主，并勇于給青年人才壓擔子，近一半的項目負責人年齡不滿40歲。除了給青年人才配置優(yōu)質(zhì)科研資源，還需考慮如何為青年人才成長創(chuàng)造一個更為寬松的環(huán)境，建立評價新發(fā)現(xiàn)、新原理、新方法、新規(guī)律的重大原創(chuàng)性和科學價值、代表性論文等科研成果質(zhì)量和水平的項目評價制度；建立以創(chuàng)新價值、能力和貢獻為導向的人才評價指標體系，保障我國科研人員在參與SKA國際大科學工程科學研究中取得重大原創(chuàng)性突破。