為「世界巨眼」裝上「中國之眸」:人類探秘宇宙邁出新步伐

SKA——平方公里陣列射電望遠鏡首台天線樣機啟動儀式。(新華社)

SKA——平方公里陣列射電望遠鏡首台天線樣機啟動儀式。(新華社)

人類探秘宇宙又將多一雙「巨眼」。數千面天線從中心向外呈旋臂狀鋪展,延伸著長長的「觸角」,恰似一隻「巨眼」,用世界最大的天線陣列射電望遠鏡探秘宇宙:6日下午,SKA——平方公里陣列射電望遠鏡首台天線樣機在河北石家莊正式啟動,這標誌著由中國主導研製的SKA反射面天線即將進入正式建設階段。

組成陣列的望遠鏡接收面積達1平方公里、足有140個足球場大,比目前最大的射電望遠鏡陣列靈敏度提高50倍。SKA總幹事菲力浦·戴蒙德評價說,作為多國合作的國際大科學工程,SKA將為人類認識宇宙提供歷史新機遇。

SKA——平方公里陣列射電望遠鏡首台天線樣機。(新華社)
SKA——平方公里陣列射電望遠鏡首台天線樣機。(新華社)

探秘宇宙的「世界巨眼」

一聲啟動,10公尺高的底座上,反射體緩緩轉動,猶如一隻靈動的「眼眸」,俯仰之間,緩緩掃過天際;水準轉動,從容巡視天空……SKA首台天線樣機甫一亮相,便吸引了在場多國科學家、天文學家的目光。

「它的成功研製,標誌著中國在SKA核心設備研發中發揮引領和主導作用,在國際大科學工程中,為世界成功提供『天線解決方案』。」中國電子科技集團總經理劉烈宏說。

「這是國際大科學工程的里程碑事件。」菲力浦·戴蒙德介紹,SKA始於上世紀九十年代初,是目前在建的全球最大綜合孔徑射電望遠鏡,是多國合作、共同出資的國際大科學工程。約20個國家、上百個大學和科研機構的天文學家和工程師參與專案研發。

專家介紹,之所以命名為SKA,是因為組成陣列的射電望遠鏡總接收面積達1平方公里,相當於140個足球場大。

「這是中國第一次正式牽頭SKA工作包聯盟工作,全面主持主導工程核心技術研發。從參與到主導,體現了中國在射電天文領域的技術邁進和突破,也為中國今後牽頭和主導國際大科學工程積累了豐富經驗。」中科院國家天文台副台長郝晉新說。

這是一隻「巨大的眼眸」。這一項目選址在澳大利亞、南非及非洲南部8個國家的無線電寧靜區域,將在約3000公里的廣袤荒野中,建設2500面15公尺口徑反射面天線。

這是一隻「靈敏的眼眸」。這一項目將成為世界上最大的綜合孔徑射電天文望遠鏡,比目前最大的射電望遠鏡陣列的靈敏度提高50倍,巡天速度提高10000倍。

這是一隻「全面的眼眸」。這一專案能夠更全面地觀測星空,尋找更多的星系,探尋孕育生命的新搖籃、搜索外星生命等。

此次出廠的天線更有不少新特點。SKA反射面天線總設計師杜彪介紹,天線的設計壽命約50年,重量約40噸,是常規天線重量的三分之二,還具有低功耗、低成本、易安裝、易運輸和批量生產等優點。

SKA——平方公里陣列射電望遠鏡首台天線樣機的正面(左)、側面(中)和背面(新華社)
SKA——平方公里陣列射電望遠鏡首台天線樣機的正面(左)、側面(中)和背面(新華社)

從參與到主導:十年煉就「中國之眸」

全球射電天文學方興未艾,接連湧現類星體、脈衝星、星際分子和微波背景輻射四大天文發現。近年來中國陸續建成多座射電望遠鏡,口徑從25公尺到65公尺再到500公尺,從追趕到並跑,天文學研究開始逐步躋身一流。

2011年,包括中國在內的多國作為創始成員國成立了SKA獨立法人機構SKA組織。自2013年起,中方與來自南非、德國、義大利、澳大利亞、加拿大、瑞典、英國等國家的優勢科研機構強強聯合,組成工作包聯盟,共同參與SKA工程設計研發工作。

想要在這一多國參與的大科學工程中脫穎而出,並非易事。記者在採訪中瞭解到,中方團隊雖然有較為深厚的天線研製基礎,但加入項目晚,起步並非一帆風順。

「一開始被看不起,只讓咱們做最基礎的天線座架。」SKA專案天線設備承包方負責人之一、中國電科54所所長張桂華告訴記者,回顧中國參與SKA的研製經歷,中國從一開始的「項目創始國之一」,到後來憑藉成本、性能、技術成熟度和工程可實施性等顯著優勢被推薦為SKA後續研發的唯一設計方案,經歷十年的艱難之路。

「SKA選用的核心設備天線,每一步都是靠反復的試驗與仿真,無數次的探討與研究,最終成就了這只包含眾多科學家期望與技術人員心血的巨眼之眸。」張桂華說。

「反射面單元精度誤差僅有兩個頭髮絲的厚度,精度可控,完全自主生產。」杜彪介紹,通過5年技術攻關,中國的產品最終在技術上滿足SKA所有指標要求。

堅持自主研發與國際合作並重:推動中國前沿探索迎來新時代

近年來,中國先後建成了東莞散裂中子源、「天眼」FAST望遠鏡、合肥穩態強磁場裝置、上海超強超短鐳射實驗裝置、大亞灣中微子等一大批大科學裝置。此次SKA首台天線樣機啟動,也意味著中國將會越來越多地參與國際大科學計畫,並發揮重要作用。

多位專家認為,新一輪科技革命和產業變革正在重塑世界經濟結構和競爭格局,創新要素開放性、流動性顯著增強,用科技促進經濟社會發展成為國際共識。

來自科技部的資訊顯示,「十二五」以來,中國科技創新能力實現歷史性躍升,國際科技合作實力和影響力不斷攀升,全方位、多層次、多管道的國際科技合作體系初步形成,國際科技合作能力顯著提高。

「大專案全都由自己發起是不可能的。」中國科學院高能物理研究所所長王貽芳院士認為,健康的科研體系應該是我們參與別人的專案,同時發起自己的項目。自己發起的專案應該有國際競爭力,有獨特的方案或技術,有技術先進性、創新性與可行性,有獲得重大成果的可能,有實質性的國外貢獻。

在SKA之前,中國參與的國際熱核聚變實驗堆計畫取得了多項國際和國內第一的研究成果,使中國在核聚變領域處於與國際同等甚至某些方面領先的地位。

「堅持自主研發與國際合作並重,是中國特色自主創新的自覺之路。」科技部國際合作司司長葉冬柏表示,大科學裝置的興起和大科學計畫的推進,正不斷推動中國前沿科技探索迎來新時代。

今天天文領域講究立體化作戰,僅有500公尺口徑球面射電望遠鏡還遠不夠。從某一點看宇宙,視野有限,望遠鏡要形成陣列才能發揮更強威力。「人類對天文學的研究和對宇宙的探索並非『一錘子買賣』,有些科研成果很難『立竿見影』,必須放大到人類歷史長河的過程中去看。」郝晉新說。

天文學的發展,是全人類認識宇宙的智慧結晶。目前,SKA各成員國正在協商出台SKA天文台公約。項目建成後,成員國可以共用SKA獲得的原始資料。

「SKA能看得更遠、更清楚,為人們帶來意想不到的科學發現,推動我國天文、物理及資訊技術等相關基礎科研領域的研究水準,不斷增強創新力,讓中國擁有向宇宙更深處探索、實現前沿科學突破的自信。」杜彪說。

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