南非將成為射電天文學的新中心

作為平方公里陣列望遠鏡（Square Kilometre Array，SKA）的重要參與國，南非正成為世界最重要的射電天文學中心之一。現在，一款新的望遠鏡，「氫原子強度實時分析實驗」（The Hydrogen Intensity and Real-time Analysis eXperiment，HIRAX），將在南非建成。這進一步鞏固南非在射電天文學的地位。

HIRAX將做什麼，以及如何做？

HIRAX有兩個主要的科學目標：通過跟蹤星系中的中性氫原子來研究暗能量的演變，以及探測和定位稱為「快速無線電爆發」的神秘無線電閃光。

暗能量是推動宇宙加速膨脹的神秘力量。HIRAX通過被稱為「重子聲學振蕩」（Baryon Acoustic Oscillations，BAO）的現象來研究它。BAO產生於非常早期的宇宙中。那時候，宇宙中充滿著高溫、高密度的等離子體，所謂的「重子」指的就是等離子體中的離子。總體上來說，早期宇宙中的等離子體的分布是均勻的；但是從局部來看，有些地方的密度會略高一點，而另一些地方的密度則會略低，這稱之為「密度漲落」。密度漲落會在等離子體中以波的形式傳播，產生「重子聲學震蕩」。之所以稱其為「聲學震蕩」，是因為這種波和聲波非常類似，都是依靠介質密度的變化來傳播的縱波。隨著宇宙不斷膨脹並冷卻下來，這種震蕩很快變得無法繼續傳播，但是早先的震蕩會在很多地方留下其痕迹。研究人員可以通過研究當前宇宙中星系的分布來從統計學上找到BAO信號，從而為研究宇宙的結構和演化提供了一個極其重要的工具。

中性氫原子是宇宙物質分布的重要示蹤劑。它會發射頻率約為1420MHz的信號；當宇宙膨脹時，信號會被「拉伸」到更低的頻率。HIRAX工作頻率在400到800 MHz之間，使其能夠探測70到110億年前宇宙中的中性氫信號。這一時期，暗能量宇宙加速膨脹的主要原因；研究這期間暗能量的特徵，有可能揭示它的性質。

HIRAX第二個重點領域涉是被稱之為「快速無線電爆發」的毫秒級神秘閃爍。至今，科學家們還不知道「快速無線電爆發」是什麼原因引起的；它們也很難被發現和定位，因為它們非常短，而大多數天文望遠鏡只觀察天空的很小一部分區域。HIRAX的大視野將允許它每天觀察天空中較大的區域，因此當「快速無線電爆發」發生時，儀器將更有可能看到它們。科學家希望每天能看到十幾個「快速無線電爆發」；而在過去，總共才只觀察過幾十個。HIRAX項目通過幾個南部非洲國家的合作，建造8個碟式陣列，增加了能夠準確找出這些快速無線電爆發的獨特能力；還通過與主陣列相結合，把這些爆發定位到他們的主星系內。

大量的數據

HIRAX需要以大約每秒6.5太比特的速率收集大量數據，這與非洲當前的國際帶寬相當。為此，HIRAX需要設計和製造高精度天線，接收器和其他儀器。科學家正在與當地公司合作應對這一挑戰。然後，團隊還需要找出壓縮，存儲和分析這些數據的智能方法。這將需要大量的硬體和軟體。同時，為HIRAX配套所需的設計和製造能力，將為周邊地區的本地工業提供許多機會。

HIRAX與SKA的關係

該項目起源於誇祖魯-納塔爾大學（University of KwaZulu-Natal，UKZN）及其合作機構對國家研究基金會項目的回應，因此它獨立於SKA及其前身MeerKAT，但將從南非對SKA項目的投資中獲益。SKA項目使南非獲得優秀基礎設施；通過與SKA南非網路共享地理空間，HIRAX能夠在開展其科學研究的時候，在其工作頻段獲得一個「無線電清晰」的條件。南非已經通過立法來限制SKA現場的射頻干擾。這個空間也將允許HIRAX探索其他宇宙學調查已經覆蓋的南方天空，從而在更多的星系中發現脈衝星。

作為「卡魯無線電公園」（Karoo radio park）的一部分，HIRAX將增加南非的射電天文工程和基礎設施。這種基礎設施和由此產生的科學研究，將提高南非作為射電天文學全球領導者的聲譽。

此外，HIRAX還將為SKA的下一代科學家培訓做出貢獻。從事該項目的學生將接受從工程建設到望遠鏡各個方面的培訓，他們也將參與數據分析；這些未來的射電天文學專家將在一個特殊的環境中接受培訓。

最後，HIRAX與SKA將有很強的科學協同作用。例如，如果HIRAX發現任何有趣的新脈衝星，SKA可以在更高頻率下進行後續觀測。

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