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中國智慧讓「天眼」明眸善睞

平方公里陣列射電望遠鏡(SKA)首台天線樣機

新華社發

SKA組織總幹事菲利普·戴蒙在首台天線樣機出廠儀式上發言

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「在天線研究領域,曾經很難在國際頂級學術期刊上看到中國學者的影子,而近些年,發生了根本性變化,隨便翻開這些刊物,中國科學家的名字佔比很高,有時甚至會達到其中三分之一到二分之一。」清華大學電子工程系教授、微波研究所所長楊帆隨手從書架上抽出一本期刊,翻到目錄,向本報記者曆數其中中國學者的名字。

與學術研究精進相得益彰的是,中國在天線製造領域也取得了驚人的進步,不僅讓國際同行刮目相看,贏得了世界頂級用戶的青睞,而且為推進國際大科學工程作出了卓越貢獻。近日,中國領銜建成的平方公里陣列射電望遠鏡(SKA)首台天線樣機就是這方面的最新例證,該種天線將使SKA「觀天巨眼」明眸善睞。

精度超高 驚艷亮相

2月6日下午3時,河北石家莊中國電子科技集團公司第五十四研究所(中國電科54所)工程現場,在眾多記者的見證下,通體白色、約7層樓高的巨型反射面天線啟動了,它龐大的巨型「身軀」開始緩緩轉動,既可以完成俯仰15°和90°區間,又可以完成左右270°的旋轉。

這是國際大科學工程,平方公里陣列射電望遠鏡的核心設備即天線首次對外精彩亮相,也是繼2015年中國電科提交的方案從激烈的國際競爭中勝出,被確定為SKA反射面天線研發的唯一設計方案,取得的又一個重大突破。

這台天線的「殺手鐧」當然是優異的精度指標。據中國電科54所SKA天線總設計師杜彪介紹,該天線採用了高電磁屏蔽天線座架設計,屏蔽掉電子設備輻射的電磁信號,使其在重力、溫度和風載荷影響下的主副反射面精度和綜合性價達到當今最優。關於對射電望遠鏡的精度要求之高,SKA組織總幹事菲利普·戴蒙德曾有一個經典的對比性描述。他說,一片雪花落下產生的能量可謂微小之至,但是已經超過迄今為止射電天文領域接收到的所有能量。同時,SKA組織對天線價格、建設速度和運行維護的費用和便捷性也提出了「苛刻」要求。中國天線正是憑著「質優價廉」的超高綜合性價比「征服」了SKA組織。

「我們的中國同事對類似的技術有著極為豐富的經驗。基於這些經驗來建造SKA,是我們能夠擁有一個成本可控的反射面天線的關鍵。這一原型機正在中國拔地而起,最終將有133面天線矗立在南非。」菲利普·戴蒙德在蒞臨現場觀摩演示時這樣評價說。「對中國來說,這個項目是標誌其崛起為世界科學大國的一個里程碑,為其贏得了參與跨國合作項目的聲譽。」英國《金融時報》如是報道。

數據處理 超算顯威

作為全球最大的天文學國際合作項目,SKA建成後將等效為一個反射面積高達1平方公里的超大望遠鏡,其靈敏度將比目前世界上最大射電望遠鏡陣列的靈敏度提高約50倍,巡天速度提高約1萬倍。這意味著其運行將會產生空前規模的數據,這就要求建立依賴於超級計算技術的數據處理支撐體系。據相關預測,SKA每秒採集的數據量計劃大於12Tb,相當於2013年底中國互聯網國際出口帶寬的3.5倍,相當於谷歌每年數據量的30倍。SKA超大的數據規模無疑對現有計算技術和架構提出極大的挑戰。

近年來,中國超級計算機獲得了突飛猛進的發展,成就舉世矚目,這為SKA大數據處理作出更大貢獻奠定了堅實基礎。據2017年底發布的全球「超級計算機500強榜單,中國「神威·太湖之光」和「天河二號」計算機再次蟬聯冠亞軍,浮點運算速度分別為每秒9.3億億次和每秒3.39億億次。

中國超算實際上已經為SKA數據處理的準備工作作出了重大貢獻。2016年八九月間,「天河二號」成功運行了 SKA數據處理軟體系統框架,這是SKA項目在大規模數據處理方面的研究跨出的至關重要的一步。目前,SKA各成員國正積極申建科學與數據中心,中國方面也為此付諸努力,上海憑藉中科院上海天文台和本地著名高校的人才和裝備優勢,已經把建設SKA亞洲科學中心項目列入該市科技創新「十三五」規劃中,並贏得SKA組織的高度評價。

中國領先的信息技術企業積极參与SKA數據處理項目。2015年5月,中國浪潮集團有限公司與SKA組織在京聯合舉辦了「SKA科學數據處理研討會」,旨在尋找一種更加高性能低能耗的計算架構,來應對全球最大「大數據」項目的科學數據處理挑戰。浪潮集團相關負責人表示,該集團與SKA組織針對項目中計算量最大、最耗時的數據處理軟體Gridding,已經展開了並行優化工作,並在世界大學生超級計算機競賽中設置了相應的賽題,激發全球各國超算年輕天才共同來解決這一難題。

在SKA信號和數據傳輸方面,中方清華大學提出的方案在2017年10月召開的相關會議上被確定為「低頻陣列望遠鏡的最終時間同步方案」。準確的時間同步系統是SKA的重要組成部分,將使SKA在繪製宇宙中氫的分布、研究脈衝星以及在銀河範圍內探測引力波等眾多領域做出重要貢獻。清華大學提出的時間同步系統方案比SKA組織的需求提高了約兩個數量級,完全滿足SKA兩個階段的參數要求。

苦練功夫 內外兼修

作為SKA項目的創始國和成員國之一,中國早在SKA概念誕生伊始便積极參与其中。1993年,國際無線電科聯召開日本京都大會,中國天文學家和澳、加、法、德等國的天文學家一道聯合倡議籌劃建造接收面積為1平方公里的巨型射電望遠鏡,它的靈敏度將比目前世界上最大的望遠鏡高2個數量級。這就是SKA的發端。

為爭取SKA項目選址中國,也為了積累相關經驗,提高中國在射電天文學領域的發展水平,我國天文學家南仁東於1994年提出構想:利用貴州喀斯特地貌在建設全球最大的射電望遠鏡「FAST」,這就是被譽為「中國天眼」的500米口徑球面射電望遠鏡。

由於SKA對無線電信號等方面非常苛刻的要求,中國未能如願成為SKA項目建設地,但是中國在天文學領域持續發力,並取得了豐碩成果。2009年,世界上最大的大視場望遠鏡「LAMOST」建成。2015年,我國在南極冰蓋制高點崑崙站附近建成了「巡天」望遠鏡。2016年,「FAST」落成啟用,成為具有我國自主知識產權、世界最大單口徑、最靈敏的射電望遠鏡。2017年,中國首顆X射線空間天文衛星「慧眼」發射升空,攜帶的硬X射線調製望遠鏡是研究黑洞、中子星等緻密天體的「利器」。中國在天文觀測領域的一個個飛躍,贏得了國際同行的尊敬。

與此同時,我國成為SKA項目的大力推動者。2011年,包括中國在內的7國作為創始成員國成立了SKA獨立法人機構SKA組織。目前已有中國、澳大利亞、加拿大等10個核心成員國,此外,還有來自20多個國家的約100個組織也已投身SKA的設計研發中。

「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,在苦練「內功」的同時,通過參與SKA大科學裝置和國際大科學計劃,正不斷推動中國前沿科技探索走進新時代,也為國際科學創新貢獻了中國智慧。(張保淑)

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平方公里陣列射電望遠鏡

平方公里陣列射電望遠鏡(Square Kilometer Array,簡稱SKA)是國際天文學界計劃建造的世界最大綜合孔徑射電望遠鏡,接收面積達1平方公里,將為人類認知宇宙提供重大機遇。SKA由大約3000個15米口徑拋物線面天線、250組中頻和低頻孔徑陣列組成,分布範圍大於3000公里,形成旋臂陣列望遠鏡。

SKA將致力於回答關於宇宙的一些基本問題,如,第一代天體如何形成、星系演化、宇宙磁場作用、引力本質、暗物質和暗能量等。SKA項目涉及天文、無線電、信息科學、力學、機械、土木工程等眾多領域;集成眾多高科技成果,如高性能低造價寬頻天線製造、高品質接收機、海量數據傳輸處理、信號處理、系統工程等,需要廣泛的國際合作來實現。

(科技部國家遙感中心供稿)


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