平方公里陣列射電望遠(yuǎn)鏡（SKA）首臺天線樣機(jī) 　　新華社發(fā)

　　“在天線研究領(lǐng)域，曾經(jīng)很難在國際頂級學(xué)術(shù)期刊上看到中國學(xué)者的影子，而近些年，發(fā)生了根本性變化，隨便翻開這些刊物，中國科學(xué)家的名字占比很高，有時甚至?xí)_(dá)到其中三分之一到二分之一。”清華大學(xué)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，向本報記者歷數(shù)其中中國學(xué)者的名字。

與學(xué)術(shù)研究精進(jìn)相得益彰的是，中國在天線制造領(lǐng)域也取得了驚人的進(jìn)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(jìn)國際大科學(xué)工程作出了卓越貢獻(xiàn)。近日，中國領(lǐng)銜建成的平方公里陣列射電望遠(yuǎn)鏡(SKA)首臺天線樣機(jī)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。

①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(tuán)公司第五十四研究所(中國電科54所)工程現(xiàn)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(zhuǎn)動，既可以完成俯仰15°和90°區(qū)間，又可以完成左右270°的旋轉(zhuǎn)。

這是國際大科學(xué)工程，平方公里陣列射電望遠(yuǎn)鏡的核心設(shè)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(fā)的唯一設(shè)計方案，取得的又一個重大突破。

這臺天線的“殺手锏”當(dāng)然是優(yōu)異的精度指標(biāo)。據(jù)中國電科54所SKA天線總設(shè)計師杜彪介紹，該天線采用了高電磁屏蔽天線座架設(shè)計，屏蔽掉電子設(shè)備輻射的電磁信號，使其在重力、溫度和風(fēng)載荷影響下的主副反射面精度和綜合性價達(dá)到當(dāng)今最優(yōu)。關(guān)于對射電望遠(yuǎn)鏡的精度要求之高，SKA組織總干事菲利普·戴蒙德曾有一個經(jīng)典的對比性描述。他說，一片雪花落下產(chǎn)生的能量可謂微小之至，但是已經(jīng)超過迄今為止射電天文領(lǐng)域接收到的所有能量。同時，SKA組織對天線價格、建設(shè)速度和運(yùn)行維護(hù)的費(fèi)用和便捷性也提出了“苛刻”要求。中國天線正是憑著“質(zhì)優(yōu)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(shù)有著極為豐富的經(jīng)驗?；谶@些經(jīng)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(guān)鍵。這一原型機(jī)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(xiàn)場觀摩演示時這樣評價說。“對中國來說，這個項目是標(biāo)志其崛起為世界科學(xué)大國的一個里程碑，為其贏得了參與跨國合作項目的聲譽(yù)。”英國《金融時報》如是報道。

②數(shù)據(jù)處理超算顯威

作為全球最大的天文學(xué)國際合作項目，SKA建成后將等效為一個反射面積高達(dá)1平方公里的超大望遠(yuǎn)鏡，其靈敏度將比目前世界上最大射電望遠(yuǎn)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(yùn)行將會產(chǎn)生空前規(guī)模的數(shù)據(jù)，這就要求建立依賴于超級計算技術(shù)的數(shù)據(jù)處理支撐體系。據(jù)相關(guān)預(yù)測，SKA每秒采集的數(shù)據(jù)量計劃大于12Tb，相當(dāng)于2013年底中國互聯(lián)網(wǎng)國際出口帶寬的3.5倍，相當(dāng)于谷歌每年數(shù)據(jù)量的30倍。SKA超大的數(shù)據(jù)規(guī)模無疑對現(xiàn)有計算技術(shù)和架構(gòu)提出極大的挑戰(zhàn)。

近年來，中國超級計算機(jī)獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，成就舉世矚目，這為SKA大數(shù)據(jù)處理作出更大貢獻(xiàn)奠定了堅實(shí)基礎(chǔ)。據(jù)2017年底發(fā)布的全球“超級計算機(jī)500強(qiáng)榜單，中國“神威·太湖之光”和“天河二號”計算機(jī)再次蟬聯(lián)冠亞軍，浮點(diǎn)運(yùn)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(shí)際上已經(jīng)為SKA數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)備工作作出了重大貢獻(xiàn)。2016年八九月間，“天河二號”成功運(yùn)行了SKA數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)框架，這是SKA項目在大規(guī)模數(shù)據(jù)處理方面的研究跨出的至關(guān)重要的一步。目前，SKA各成員國正積極申建科學(xué)與數(shù)據(jù)中心，中國方面也為此付諸努力，上海憑借中科院上海天文臺和本地著名高校的人才和裝備優(yōu)勢，已經(jīng)把建設(shè)SKA亞洲科學(xué)中心項目列入該市科技創(chuàng)新“十三五”規(guī)劃中，并贏得SKA組織的高度評價。

中國領(lǐng)先的信息技術(shù)企業(yè)積極參與SKA數(shù)據(jù)處理項目。2015年5月，中國浪潮集團(tuán)有限公司與SKA組織在京聯(lián)合舉辦了“SKA科學(xué)數(shù)據(jù)處理研討會”，旨在尋找一種更加高性能低能耗的計算架構(gòu)，來應(yīng)對全球最大“大數(shù)據(jù)”項目的科學(xué)數(shù)據(jù)處理挑戰(zhàn)。浪潮集團(tuán)相關(guān)負(fù)責(zé)人表示，該集團(tuán)與SKA組織針對項目中計算量最大、最耗時的數(shù)據(jù)處理軟件Gridding，已經(jīng)展開了并行優(yōu)化工作，并在世界大學(xué)生超級計算機(jī)競賽中設(shè)置了相應(yīng)的賽題，激發(fā)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(shù)據(jù)傳輸方面，中方清華大學(xué)提出的方案在2017年10月召開的相關(guān)會議上被確定為“低頻陣列望遠(yuǎn)鏡的最終時間同步方案”。準(zhǔn)確的時間同步系統(tǒng)是SKA的重要組成部分，將使SKA在繪制宇宙中氫的分布、研究脈沖星以及在銀河范圍內(nèi)探測引力波等眾多領(lǐng)域做出重要貢獻(xiàn)。清華大學(xué)提出的時間同步系統(tǒng)方案比SKA組織的需求提高了約兩個數(shù)量級，完全滿足SKA兩個階段的參數(shù)要求。

③苦練功夫內(nèi)外兼修

作為SKA項目的創(chuàng)始國和成員國之一，中國早在SKA概念誕生伊始便積極參與其中。1993年，國際無線電科聯(lián)召開日本京都大會，中國天文學(xué)家和澳、加、法、德等國的天文學(xué)家一道聯(lián)合倡議籌劃建造接收面積為1平方公里的巨型射電望遠(yuǎn)鏡，它的靈敏度將比目前世界上最大的望遠(yuǎn)鏡高2個數(shù)量級。這就是SKA的發(fā)端。

為爭取SKA項目選址中國，也為了積累相關(guān)經(jīng)驗，提高中國在射電天文學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展水平，我國天文學(xué)家南仁東于1994年提出構(gòu)想：利用貴州喀斯特地貌在建設(shè)全球最大的射電望遠(yuǎn)鏡“FAST”，這就是被譽(yù)為“中國天眼”的500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡。

由于SKA對無線電信號等方面非常苛刻的要求，中國未能如愿成為SKA項目建設(shè)地，但是中國在天文學(xué)領(lǐng)域持續(xù)發(fā)力，并取得了豐碩成果。2009年，世界上最大的大視場望遠(yuǎn)鏡“LAMOST”建成。2015年，我國在南極冰蓋制高點(diǎn)昆侖站附近建成了“巡天”望遠(yuǎn)鏡。2016年，“FAST”落成啟用，成為具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)、世界最大單口徑、最靈敏的射電望遠(yuǎn)鏡。2017年，中國首顆X射線空間天文衛(wèi)星“慧眼”發(fā)射升空，攜帶的硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡是研究黑洞、中子星等致密天體的“利器”。中國在天文觀測領(lǐng)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(nèi)的7國作為創(chuàng)始成員國成立了SKA獨(dú)立法人機(jī)構(gòu)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(shè)計研發(fā)中。

“堅持自主研發(fā)與國際合作并重，是中國特色自主創(chuàng)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(nèi)功”的同時，通過參與SKA大科學(xué)裝置和國際大科學(xué)計劃，正不斷推動中國前沿科技探索走進(jìn)新時代，也為國際科學(xué)創(chuàng)新貢獻(xiàn)了中國智慧。

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平方公里陣列射電望遠(yuǎn)鏡

平方公里陣列射電望遠(yuǎn)鏡(SquareKilometerArray,簡稱SKA)是國際天文學(xué)界計劃建造的世界最大綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡，接收面積達(dá)1平方公里，將為人類認(rèn)知宇宙提供重大機(jī)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，分布范圍大于3000公里，形成旋臂陣列望遠(yuǎn)鏡。

SKA將致力于回答關(guān)于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(zhì)、暗物質(zhì)和暗能量等。SKA項目涉及天文、無線電、信息科學(xué)、力學(xué)、機(jī)械、土木工程等眾多領(lǐng)域;集成眾多高科技成果，如高性能低造價寬帶天線制造、高品質(zhì)接收機(jī)、海量數(shù)據(jù)傳輸處理、信號處理、系統(tǒng)工程等，需要廣泛的國際合作來實(shí)現(xiàn)。

(科技部國家遙感中心供稿)

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