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国内智慧让SKA“观天巨眼”明眸善睐

2018-02-11 11:32:05       来源:中国科学报

“在天线研究领域,曾经很难在国际顶级学术期刊上看到中国学者的影子,而近些年,发生了根本性变化,随便翻开这些刊物,中国科学家的名字占比很高,有时甚至会达到其中三分之一到二分之一。”清华大学电子工程系教授、微波研究所所长杨帆随手从书架上抽出一本期刊,翻到目录,向本报记者历数其中中国学者的名字。

与学术研究精进相得益彰的是,中国在天线制造领域也取得了惊人的进步,不仅让国际同行刮目相看,赢得了世界顶级用户的青睐,而且为推进国际大科学工程作出了卓越贡献。近日,中国领衔建成的平方公里阵列射电望远镜(SKA)首台天线样机就是这方面的最新例证,该种天线将使SKA“观天巨眼”明眸善睐。

2月6日下午3时,河北石家庄中国电子科技集团公司第五十四研究所(中国电科54所)工程现场,在众多记者的见证下,通体白色、约7层楼高的巨型反射面天线启动了,它庞大的巨型“身躯”开始缓缓转动,既可以完成俯仰15°和90°区间,又可以完成左右270°的旋转。

这是国际大科学工程,平方公里阵列射电望远镜的核心设备即天线首次对外精彩亮相,也是继2015年中国电科提交的方案从激烈的国际竞争中胜出,被确定为SKA反射面天线研发的唯一设计方案,取得的又一个重大突破。

这台天线的“杀手锏”当然是优异的精度指标。据中国电科54所SKA天线总设计师杜彪介绍,该天线采用了高电磁屏蔽天线座架设计,屏蔽掉电子设备辐射的电磁信号,使其在重力、温度和风载荷影响下的主副反射面精度和综合性价达到当今最优。关于对射电望远镜的精度要求之高,SKA组织总干事菲利普·戴蒙德曾有一个经典的对比性描述。他说,一片雪花落下产生的能量可谓微小之至,但是已经超过迄今为止射电天文领域接收到的所有能量。同时,SKA组织对天线价格、建设速度和运行维护的费用和便捷性也提出了“苛刻”要求。中国天线正是凭着“质优价廉”的超高综合性价比“征服”了SKA组织。

“我们的中国同事对类似的技术有着极为丰富的经验。基于这些经验来建造SKA,是我们能够拥有一个成本可控的反射面天线的关键。这一原型机正在中国拔地而起,最终将有133面天线矗立在南非。”菲利普·戴蒙德在莅临现场观摩演示时这样评价说。“对中国来说,这个项目是标志其崛起为世界科学大国的一个里程碑,为其赢得了参与跨国合作项目的声誉。”英国《金融时报》如是报道。

作为全球最大的天文学国际合作项目,SKA建成后将等效为一个反射面积高达1平方公里的超大望远镜,其灵敏度将比目前世界上最大射电望远镜阵列的灵敏度提高约50倍,巡天速度提高约1万倍。这意味着其运行将会产生空前规模的数据,这就要求建立依赖于超级计算技术的数据处理支撑体系。据相关预测,SKA每秒采集的数据量计划大于12Tb,相当于2013年底中国互联网国际出口带宽的3.5倍,相当于谷歌每年数据量的30倍。SKA超大的数据规模无疑对现有计算技术和架构提出极大的挑战。

近年来,中国超级计算机获得了突飞猛进的发展,成就举世瞩目,这为SKA大数据处理作出更大贡献奠定了坚实基础。据2017年底发布的全球“超级计算机500强榜单,中国“神威·太湖之光”和“天河二号”计算机再次蝉联冠亚军,浮点运算速度分别为每秒9.3亿亿次和每秒3.39亿亿次。

中国超算实际上已经为SKA数据处理的准备工作作出了重大贡献。2016年八九月间,“天河二号”成功运行了 SKA数据处理软件系统框架,这是SKA项目在大规模数据处理方面的研究跨出的至关重要的一步。目前,SKA各成员国正积极申建科学与数据中心,中国方面也为此付诸努力,上海凭借中科院上海天文台和本地著名高校的人才和装备优势,已经把建设SKA亚洲科学中心项目列入该市科技创新“十三五”规划中,并赢得SKA组织的高度评价。

中国领先的信息技术企业积极参与SKA数据处理项目。2015年5月,中国浪潮集团有限公司与SKA组织在京联合举办了“SKA科学数据处理研讨会”,旨在寻找一种更加高性能低能耗的计算架构,来应对全球最大“大数据”项目的科学数据处理挑战。浪潮集团相关负责人表示,该集团与SKA组织针对项目中计算量最大、最耗时的数据处理软件Gridding,已经展开了并行优化工作,并在世界大学生超级计算机竞赛中设置了相应的赛题,激发全球各国超算年轻天才共同来解决这一难题。

在SKA信号和数据传输方面,中方清华大学提出的方案在2017年10月召开的相关会议上被确定为“低频阵列望远镜的最终时间同步方案”。准确的时间同步系统是SKA的重要组成部分,将使SKA在绘制宇宙中氢的分布、研究脉冲星以及在银河范围内探测引力波等众多领域做出重要贡献。清华大学提出的时间同步系统方案比SKA组织的需求提高了约两个数量级,完全满足SKA两个阶段的参数要求。

作为SKA项目的创始国和成员国之一,中国早在SKA概念诞生伊始便积极参与其中。1993年,国际无线电科联召开日本京都大会,中国天文学家和澳、加、法、德等国的天文学家一道联合倡议筹划建造接收面积为1平方公里的巨型射电望远镜,它的灵敏度将比目前世界上最大的望远镜高2个数量级。这就是SKA的发端。

为争取SKA项目选址中国,也为了积累相关经验,提高中国在射电天文学领域的发展水平,我国天文学家南仁东于1994年提出构想:利用贵州喀斯特地貌在建设全球最大的射电望远镜“FAST”,这就是被誉为“中国天眼”的500米口径球面射电望远镜。

由于SKA对无线电信号等方面非常苛刻的要求,中国未能如愿成为SKA项目建设地,但是中国在天文学领域持续发力,并取得了丰硕成果。2009年,世界上最大的大视场望远镜“LAMOST”建成。2015年,我国在南极冰盖制高点昆仑站附近建成了“巡天”望远镜。2016年,“FAST”落成启用,成为具有我国自主知识产权、世界最大单口径、最灵敏的射电望远镜。2017年,中国首颗X射线空间天文卫星“慧眼”发射升空,携带的硬X射线调制望远镜是研究黑洞、中子星等致密天体的“利器”。中国在天文观测领域的一个个飞跃,赢得了国际同行的尊敬。

与此同时,我国成为SKA项目的大力推动者。2011年,包括中国在内的7国作为创始成员国成立了SKA独立法人机构SKA组织。目前已有中国、澳大利亚、加拿大等10个核心成员国,此外,还有来自20多个国家的约100个组织也已投身SKA的设计研发中。

“坚持自主研发与国际合作并重,是中国特色自主创新的自觉之路。”科技部国际合作司司长叶冬柏表示,在苦练“内功”的同时,通过参与SKA大科学装置和国际大科学计划,正不断推动中国前沿科技探索走进新时代,也为国际科学创新贡献了中国智慧。

平方公里阵列射电望远镜(Square Kilometer Array,简称SKA)是国际天文学界计划建造的世界最大综合孔径射电望远镜,接收面积达1平方公里,将为人类认知宇宙提供重大机遇。SKA由大约3000个15米口径抛物线面天线、250组中频和低频孔径阵列组成,分布范围大于3000公里,形成旋臂阵列望远镜。

SKA将致力于回答关于宇宙的一些基本问题,如,第一代天体如何形成、星系演化、宇宙磁场作用、引力本质、暗物质和暗能量等。SKA项目涉及天文、无线电、信息科学、力学、机械、土木工程等众多领域;集成众多高科技成果,如高性能低造价宽带天线制造、高品质接收机、海量数据传输处理、信号处理、系统工程等,需要广泛的国际合作来实现。

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