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董点科技丨你知道SKA吗?超越国界的大科学装置,人类认识宇宙的新纪元
来源:原创读创科技
编辑:陈旭

读创/深圳商报记者 董芳芳

这是人类有史以来建造的最大的射电望远镜;

它由全球十多个国家共同出资建造、运行、维护和管理;

它体现了诸多当代科学技术的最新和最高成就;

它是一部超越国界的全球大科学装置;

它是遥望宇宙的巨眼;

它是人类认识宇宙的新纪元。

它就是SKA,“平方公里阵列射电望远镜”(Square kilometer Array)。

△平方公里阵列SKA(图片来源:SKAO)

据中国科学院国家天文台消息,SKA已经从设计阶段正式迈入工程实施阶段,而中国已经从参与SKA设计建设阶段转向使用SKA取得卓越科学发现的准备阶段。

SKA总部位于英国,两个台址将位于澳大利亚、南非及南部非洲8国的无线电宁静区域,由分布在3000公里范围内的2500面15m口径碟形天线、250个直径60m的致密孔径阵列以及130万只对数周期天线组成的稀疏孔径阵列组成,其等效接收面积达平方公里级,频率覆盖范围50MHz-20GHz。

中国是SKA的七个创始成员国之一。SKA将于2021年开始建设,2028年将建成10%,成为遥望宇宙的巨眼。它是划时代的天文学超级大科学装置,将带来射电观测天文学领域的巨大变革。SKA将从深度和广度、全方面和全时域的四维维度揭示宇宙的演化规律,带来全新的宇宙信息,孕育重大科学发现和突破。

目前和未来越来越多的重大科学项目都非凭一己之力所能完成,重大科学问题研究的全球化进程正在加速,而SKA将是科学研究全球化的典型代表和先锋

在未来十年,中国SKA的研究将围绕十个科学方向来进行,并根据国际大环境结合中国自身特点,对科学研究方向进行实时调整和更新,同时注重培育和扶持一批新兴的、有潜力的科学研究课题。

关于中国SKA的十大研究方向,中国科学院国家天文台邀请多位科学家撰文分享了SKA的十大潜能,来看看SKA能够回答哪些宇宙问题。

一 宇宙黎明和再电离探测

追溯宇宙演化的长河,随着138亿年前大爆炸的余晖逐渐散去,宇宙曾经历过一段漫长的黑暗时期。忽然有一天,在宇宙的深处,诞生了第一代发光天体,这些天体的光芒逐渐照亮了整个宇宙,从此给我们的宇宙带来了蓬勃的生机,这段时期被称为宇宙黎明和再电离时期。

宇宙黎明和再电离时期探测被SKA1列为首要科学目标之首,就是要探测到宇宙中诞生的第一缕曙光,以期揭示宇宙从黑暗走向光明的历史,拓宽人类观测和认识宇宙的能力,填补人类认识宇宙的空白。这也是当今观测宇宙学最热门和最具挑战性的课题。

来自宇宙黎明和再电离的中性氢辐射信号非常微弱,被淹没在茫茫的前景辐射之中,捕捉异常困难。SKA将是人类有史以来建造的最大射电望远镜,是探测宇宙第一缕曙光的绝佳利器,与目前正在运行的SKA探路者相比,SKA1-low是唯一可实现宇宙再电离成像观测的试验装置。我们期待在SKA1的低频波段,人们在不久的将来可以拨开重重迷雾,追寻到宇宙的第一缕曙光。

(武向平 中国科学院国家天文台)

△早期的宇宙除了大爆炸遗留下来的弥散光子(微波背景辐射CMB),宇宙到处是一片黑暗。当宇宙中开始诞生了第一批恒星,整个宇宙才逐渐变得明亮起来。遗憾的是,人们至今尚未能探测到宇宙这段从黑暗走向光明的历史。SKA将会填补这段人们认识宇宙的空白。(图片来源:arXiv:1907.06663)

二 脉冲星搜寻、测时和引力理论检验

SKA把脉冲星列为两大核心科学课题之一,因为对脉冲星的观测研究可以提供物质世界运动规律两个核心问题的答案:1、物质的“存在”和运动规律; 2、物质“存在”所占据的时空的运动规律。

对于第一个问题,常见的物质是原子核和电子组成的,而目前原子核涉及强作用低能行为,其物理规律还需要进一步探索。对于第二个问题,目前认为:探索时空本质,即研究引力物理规律。

脉冲星是一种极端致密的天体,其密度和原子核密度相当,是理想的宏观强相互作用实验室。因其极端致密,脉冲星旋转稳定性与国际原子钟组可以相媲美。通过监测脉冲星发出的周期信号及其变化,可以直接探索脉冲星到地球之间的时空结构,从而检验描述时空的基本物理定理。

(李柯伽 北京大学)

△如能通过脉冲星搜寻,找到在黑洞附近的脉冲星,即能通过脉冲星测时方法直接探测黑洞周围的时空物理规律。(图片来源:www.skatelescope.org)

三 中性氢巡天和宇宙学研究

现代宇宙学认为宇宙起源于大爆炸,但是大爆炸究竟是怎样发生的、大爆炸之前有没有宇宙?占宇宙总密度95%的暗能量和暗物质究竟是什么?这些问题仍然是有待解答的重大科学难题。

SKA为观测从大爆炸直到今日的宇宙演化过程提供了强有力的观测手段,有望为解开宇宙起源、暗能量与暗物质之谜等重大宇宙学难题提供重要线索。

(陈学雷 中国科学院国家天文台)

△SKA中性氢巡天(图片来源:SKA Cosmology Science Working Group)

氢元素占宇宙普通物质总量的76%,分布十分广泛,通过观测宇宙氢原子产生的谱线即中性氢巡天,SKA可以绘制出不同时期的宇宙三维图像,从而展示宇宙中的物质是怎样在引力作用下从早期的均匀分布逐渐演化形成非均匀的星系大尺度结构。而通过对大尺度结构的精密测量,又可以分析暗物质和暗能量的性质,以及宇宙早期初始状态的信息。

此外,在这种大面积的巡天中也可以探测到大量宇宙射电源,对其分布的统计分析也可以为宇宙学研究提供宝贵的数据。

四 宇宙磁场

宇宙中不同层次的天体,如行星、恒星、星系和星系团,都有磁场。银河系中大约有上千亿颗恒星,在恒星之间充满了气体、尘埃还有磁场。磁场像粘在气体上一样,跟随着气体一起运动。气体一方面绕银河系中心旋转,另一方面随机运动,所以银河系的磁场像一个复杂的网络。

△颜色表示尘埃辐射的强度,条纹指示磁场取向(图片来源:ESA/Planck collaboration)

目前的观测发现银河系磁场非常弱,强度大约只有地球磁场的百万分之一,但是由于银河系体积非常大,所以磁场的能量非常大。这么大的能量使得磁场在银河系的演化过程中起重要作用。

同时我们也想问,磁场是从哪儿来的呢?又将如何演化呢?这些问题的解答需要依靠将来SKA的大规模偏振巡天观测。

(孙晓晖 云南大学)

五 星际介质

星际介质,顾名思义就是介于恒星之间的物质。它主要由气体、尘埃和宇宙线组成,广义的定义还包括辐射场和磁场。星际介质广泛存在于宇宙空间,密度远小于空气(将空气的密度稀释10^21倍,就是星际介质的典型密度)。但是星际介质对于星系的重要性却不亚于空气对于地球的重要性。这是因为组成星系的基本单元——恒星就是在星际介质中孕育的。

可以说星际介质在我们了解宇宙起源、天体起源和生命起源的过程中,占有至关重要的位置。

正因为如此,星际介质的研究一直是天文学研究中的重要领域。射电天文学的发展史,几乎就是一部人们对星际介质的认识史。从第一张银河系射电天图的诞生到中性氢的发现,再到星际有机分子的发现,每一次射电望远镜观测技术指标的提升,都会带来人类对星际介质认识的重大突破。

相对于现有射电望远镜,SKA无论是在灵敏度还是在分辨率上都有一个量级上的提高,因此期待它在星际介质研究中为我们带来新的惊喜。

(朱辉 中国科学院国家天文台)

△英仙座分子云。黑色暗带表示分子云中的尘埃对背景星光的遮挡。可以看到其中孕育的恒星,以及明亮的发射线星云。(图片来源:https://www.cfa.harvard.edu/news/su201946, Credit: Agrupació Astronòmica d’Eivissa/Ibiza AAE, Alberto Prats Rodríguez)

六 暂现源探测

中子星并合引力波事件GW 170817的探测正式开启了多信使天文学,同时也揭示了宇宙在时间维度上存在着丰富多变的爆发现象,包括引力波对应体,黑洞暂现源,快速射电暴等等。

快速射电暴(Fast Radio Burst,FRB)是一种来自遥远星系的射电波段最亮的频繁的瞬间爆发现象,每天到达地球的可探测脉冲高达几千至上万次。虽然有上百种模型发表,但尚无其起源的完整、合理解释。

自2007年发现以来,FRB已成为射电天文领域最热门的前沿,每个月都有重要的新发现或高影响力文章发表,多次登上《自然》、《科学》等杂志封面,孕含了致密天体物理、宇宙学、星系演化甚至基础物理学重大突破的机遇。

随着各国SKA先导望远镜的上线,已有上千个FRB被发现。我国的FAST望远镜是世界上最灵敏的望远镜,是对FRB开展深入观测的利器。

(李菂 中国科学院国家天文台)

△第一个发现的重复爆发FRB121102。多台望远镜协同观测确定其宿主星系,发表在2017年1月《自然》杂志封面,也是迄今为止唯一精确定位的快速射电暴,被美国天文学会誉为“自LIGO引力波事件之后,天文学最重大的发现”。(图片来源:Danielle Futselaar)

七 活动星系核反馈和黑洞

宇宙中几乎每个星系中心都存在一个超大黑洞,黑洞周围的气体在黑洞引力的作用下会往黑洞下落形成吸积盘,在此过程中会发出强烈的辐射和物质外流(包括喷流和风)。这样的星系核因此被称为“活动星系核”。

这些辐射和物质外流在星系中能够传播得很远,并与星系中的星际气体发生相互作用,改变气体的温度、密度、分布等物理状态。气体物理状态的改变会影响恒星形成的快慢以及多少,因此影响整个星系的演化,这就是所谓的“活动星系核反馈”,目前被广泛认为可能是解决星系演化研究中遇到的一系列疑难问题的关键,是目前天体物理研究中最前沿的课题之一。

(袁峰 上海天文台)

△活动星系核反馈示意图

八 中性氢星系动力学和演化

星系的形成和演化是本世纪最关键的天体物理课题之一。氢是宇宙最丰富的元素,中性氢(HI)是星系的基本组成成分,星系的形成是由中性氢云团在引力作用下塌缩而开始的,而星系演化的过程就是中性气体不断冷却变密形成分子气体进而塌缩形成恒星的过程。因此,研究宇宙中的中性氢的含量和分布及其随时间的演化是我们了解星系成长的物理过程的主要手段。

另一方面,中性氢遍布于整个星系,尤其是在星系外围,已经看不到星光的地方,还有大量中性氢气体。通过中性氢观测可以看到很多肉眼看不到的现象。中性氢分布极易受外力的影响,分析中性氢气体的运动规律可以揭示其背后控制气体运动的秘密。

例如看到下图中旋涡星系的旋臂结构我们知道星系在旋转。但旋转得快的时候,如果没有足够的引力,气体应该被离心力甩出星系。可是观测却不是这样的。因此天文学家猜想星系中存在一些看不见的物质,提供了额外的引力,从而保证了星系中的中性氢气体不散开。这些看不见的物质就是“暗物质”。

△旋涡星系M51,中性氢成图(深蓝色)叠加在光学图像(颜色偏白的部分是M51的光学图像,图中的白点是前景恒星) 。(图片来源:NRAO/AUI and Juan M. Uson, NRAO)

中性氢动力学的研究目的就是通过定量分析气体围绕星系转动的旋转曲线来揭示星系中的暗物质分布。此外,在星系团环境中通过中性氢观测可以探测到星系相互作用遗留下来的痕迹,揭示外部环境对星系演化的作用。

(朱明 中国科学院国家天文台)

九 生命的摇篮

人类从古至今都在不停思索生命的起源。自从彻底摒弃“地心说”后,人们越来越沮丧地发现我们的地球只是宇宙中一颗毫不起眼的天体,那么,宇宙中是否还存在能够孕育生命的地方呢?这些生命是否能够像人类一样进化出高级文明呢?我们究竟从何而来?

对这些问题的拷问,在哲学、社会、宗教等领域有深刻的意义。

在宇宙中简单的原子分子最终形成孕育生命形成的星球,太空环境中复杂有机分子最终形成生命,这个过程到中到底何种因素起着决定性作用,这是科学家希望利用新一代望远镜回答的问题。

人类几千年的文明和宇宙演化时间相比只是一瞬间,近百年科技飞速发展催生的病毒和能源危机成为摧毁人类文明的潜在威胁。如果在茫茫宇宙中,我们能够接收到另一个高级文明发出的信号,这将给人类信心,能够如此文明一样战胜危机让地球文明长期持续下去。我们可能正处于摒弃生命科学的“地心说”的时代。

(张泳 中山大学)

  △行星盘与地外文明(想象图)

十 超高能宇宙射线低频探测

浩瀚的宇宙远没有看起来这般平静,各种天体的剧烈活动产生了大量的高能宇宙粒子,每时每刻,都有成千上万个来自宇宙深处的高能粒子和中微子轰击着地球,提供了天然的和零成本的高能粒子加速器。这些高能宇宙粒子和中微子作为极端宇宙的独特信使,承载重要的宇宙信息。

长期以来,人们研究高能宇宙射线都是借助于探测器手段(如LHAASO)。利用低频无线电手段探测高能宇宙射线是近年来随着数字化和计算机技术发展而应运而生的新手段,巨大地降低了造价,提高了灵敏度,具有广泛应用前景。

利用低频射电方法来探测高能宇宙射线被列为SKA的前瞻科学目标之一,SKA为此专门设立了“高能宇宙粒子”焦点工作组。SKA1-low 的高密集核心布设提供了探测高能宇宙射线产生的低频无线电辐射的绝佳机会。另外,利用SKA1-mid 的灵敏度优势,将会首次在月面上观测到高能宇宙中微子和高能宇宙射线与月面的作用。

(黄滟 中国科学院国家天文台)

△低频射电方法探测高能宇宙射线和中微子示意图(图片来源:SCIENCE CHINA Physics, Mechanics &Astronomy, 2020, 6, 1)

 
 
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