科技前沿

“千里眼”助力探秘浩瀚宇宙(科技大观)

今年隆重发布的首张黑洞照片,让人们见识到了幕后功臣“事件视界望远镜”(EHT)的威力。它把各大洲的观测设备联合起来形成一个巨型虚拟望远镜,整合能力超乎想象。不过,这项前沿技术目前正在被刷新——人类有史以来最大的天文学项目“平方公里阵列射电望远镜”(SKA)建成后,将引领未来的射电天文研究。

SKA因接收总面积约有1平方公里而得名。它由2500面直径15米的碟形天线以及超过100万个低频天线等单元组成,预计在2030年后全部建成。它肩负的使命包括:揭示宇宙的第一缕光,检验爱因斯坦广义相对论,探测引力波和宇宙暗能量、暗物质以及探寻地外文明等。

同EHT一样,SKA采用的是射电干涉测量技术,即通过计算不同天线所接收电磁波的相位差推算出天体的空间分布。这就像人通过辨别声音到达两耳的时间判断发声点的方位一样。这种技术分辨率极高,可以识别光学望远镜看不清的东西。EHT能从北京辨清纽约一张报纸上的字,可谓真正的“千里眼”。

SKA的观测范围更广,灵敏度也更胜一筹。EHT的8台望远镜有几十面天线,SKA的天线多达几千面,能看到更远更暗弱的物体。正如要听远处蚊子的声音,一对耳朵不够,就用1万对耳朵合起来听。

把这么多信息综合起来分析,需要一个超强“大脑”。对SKA来说,这个“大脑”就是超级计算机。干涉天线之间相距越远,就越可能因所在环境不同产生相位误差,数据处理也越困难。对黑洞的观测,从数据获得到图像发布,整整花了两年时间,主要难题在于开发针对海量数据进行图像重构的新算法。SKA要处理的数据量是EHT的100多倍,需要的计算速度是我国最大超级计算机“神威·太湖之光”的30倍以上。这样的计算量及其带来的能源消耗是目前技术难以承受的。

幸运的是,我们正在进入物联网时代。在物联网的世界里,网络的快速升级换代大幅提升了数据传输能力;量子计算机的问世,使运算能力出现了革命性的突破。估计20多年后,SKA面临的问题将会迎刃而解,我们也将真正进入万物互联的时代,地球上甚至太空中的射电望远镜都可以联起来组成一个巨型观测网络。届时,一旦监测到太空中的异常事件,例如黑洞合并、疑似地外文明信号等,我们可以迅速调动全球的望远镜联合观测,对目标进行精确定位与跟踪,第一时间预警并作出响应。

在全球十多个参与国家中,中国作为创始成员国于今年3月签署了SKA天文台公约。我国拥有的世界最大单口径射电望远镜FAST是北半球最灵敏的设备,可与位于南半球的SKA形成互补。我国科学家积极参与SKA的国际大科学合作,有望成为新时代天文研究的引领者。

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