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平方公(gong)里(li)陣列射電望遠鏡(jing)（SKA）首臺天線樣機(ji)（新華社 發(fa)）

SKA組織總干事菲利普·戴蒙在首臺天線樣機出廠儀式上發言（新華社 發）

“在天線研究領(ling)域，曾經很難在國(guo)際(ji)頂級學(xue)(xue)術(shu)期刊上看到(dao)(dao)中(zhong)(zhong)國(guo)學(xue)(xue)者(zhe)的(de)(de)影子(zi)，而(er)近些(xie)年，發生(sheng)了根本(ben)性變(bian)化，隨(sui)便翻開這(zhe)些(xie)刊物，中(zhong)(zhong)國(guo)科(ke)學(xue)(xue)家的(de)(de)名字占比很高，有時甚至會達到(dao)(dao)其中(zhong)(zhong)三分(fen)之(zhi)一(yi)到(dao)(dao)二分(fen)之(zhi)一(yi)。”清(qing)華大學(xue)(xue)電(dian)子(zi)工程系教授、微波研究所所長楊(yang)帆隨(sui)手從書(shu)架上抽出(chu)一(yi)本(ben)期刊，翻到(dao)(dao)目錄，向本(ben)報記者(zhe)歷數其中(zhong)(zhong)中(zhong)(zhong)國(guo)學(xue)(xue)者(zhe)的(de)(de)名字。

與學(xue)術研究精進相得益彰(zhang)的(de)是(shi)，中國(guo)在天(tian)(tian)線(xian)制造(zao)領域也取得了驚人的(de)進步，不(bu)僅讓(rang)國(guo)際(ji)同(tong)行刮(gua)目相看，贏得了世界(jie)頂級用戶(hu)的(de)青(qing)睞(lai)，而且(qie)為推進國(guo)際(ji)大科學(xue)工程作出(chu)了卓越貢獻。近日，中國(guo)領銜建(jian)成(cheng)的(de)平(ping)方(fang)公里陣列射(she)電望遠鏡（SKA）首臺(tai)天(tian)(tian)線(xian)樣(yang)機就是(shi)這(zhe)方(fang)面的(de)最新例證，該種天(tian)(tian)線(xian)將使SKA“觀天(tian)(tian)巨眼”明眸善睞(lai)。

①精(jing)度(du)超高 驚(jing)艷(yan)亮(liang)相

2月6日下(xia)午3時，河北石家莊中國(guo)電(dian)子科技集團公司第五十四研究所（中國(guo)電(dian)科54所）工程(cheng)現場，在眾多記者(zhe)的見證下(xia)，通體白(bai)色、約7層(ceng)樓高的巨(ju)型反射面天(tian)線啟動了，它(ta)龐大的巨(ju)型“身軀(qu)”開始緩緩轉動，既可(ke)以完成俯仰15°和(he)90°區間，又可(ke)以完成左右(you)270°的旋(xuan)轉。

這是國(guo)(guo)際大科(ke)學(xue)工程，平(ping)方公里(li)陣列射電(dian)(dian)望遠鏡的(de)核心設(she)備(bei)即天(tian)線首次對外精彩亮相，也(ye)是繼2015年中國(guo)(guo)電(dian)(dian)科(ke)提交的(de)方案(an)(an)從(cong)激烈的(de)國(guo)(guo)際競爭中勝出，被(bei)確定為SKA反射面天(tian)線研發的(de)唯一設(she)計方案(an)(an)，取得的(de)又一個重大突(tu)破。

這(zhe)臺天(tian)線的(de)“殺手锏”當(dang)然是優異的(de)精度(du)指標。據(ju)中(zhong)(zhong)國(guo)(guo)電科54所SKA天(tian)線總設計師杜彪介紹(shao)，該天(tian)線采用(yong)了(le)高電磁屏蔽天(tian)線座架(jia)設計，屏蔽掉(diao)電子設備(bei)輻射的(de)電磁信號(hao)，使其在重(zhong)力、溫度(du)和(he)風載荷影(ying)響下的(de)主副反(fan)射面精度(du)和(he)綜(zong)合性(xing)價(jia)達到當(dang)今最優。關(guan)于對(dui)射電望遠(yuan)鏡的(de)精度(du)要求之高，SKA組織(zhi)總干事菲(fei)利(li)普·戴蒙德曾有一個經(jing)典(dian)的(de)對(dui)比(bi)性(xing)描述。他(ta)說，一片雪花(hua)落(luo)下產生的(de)能量可謂微小之至，但是已經(jing)超(chao)過迄今為止射電天(tian)文領域接收到的(de)所有能量。同(tong)時(shi)，SKA組織(zhi)對(dui)天(tian)線價(jia)格(ge)、建(jian)設速(su)度(du)和(he)運行(xing)維護的(de)費用(yong)和(he)便(bian)捷性(xing)也(ye)提出(chu)了(le)“苛刻”要求。中(zhong)(zhong)國(guo)(guo)天(tian)線正是憑著“質(zhi)優價(jia)廉”的(de)超(chao)高綜(zong)合性(xing)價(jia)比(bi)“征(zheng)服”了(le)SKA組織(zhi)。

“我(wo)們的(de)(de)中(zhong)國(guo)(guo)同事對(dui)類似的(de)(de)技(ji)術(shu)有(you)著極為豐富的(de)(de)經驗。基(ji)于(yu)這些(xie)經驗來(lai)建造SKA，是(shi)我(wo)們能夠擁有(you)一(yi)個成本可控的(de)(de)反(fan)射面(mian)天線(xian)的(de)(de)關鍵(jian)。這一(yi)原(yuan)型機正在中(zhong)國(guo)(guo)拔(ba)地而(er)起(qi)，最終將有(you)133面(mian)天線(xian)矗立在南非。”菲(fei)利普·戴蒙(meng)德在蒞臨(lin)現(xian)場觀摩演(yan)示(shi)時(shi)這樣評價說。“對(dui)中(zhong)國(guo)(guo)來(lai)說，這個項(xiang)目(mu)是(shi)標志其崛起(qi)為世界科學大國(guo)(guo)的(de)(de)一(yi)個里程碑，為其贏得了參與(yu)跨國(guo)(guo)合(he)作項(xiang)目(mu)的(de)(de)聲譽。”英(ying)國(guo)(guo)《金融時(shi)報》如是(shi)報道。

②數據處理 超(chao)算(suan)顯威

作為(wei)全球(qiu)最(zui)大的(de)天文學國(guo)(guo)際(ji)合作項目(mu)，SKA建(jian)成后將等效(xiao)為(wei)一個反(fan)射面積高達1平方公里(li)的(de)超(chao)大望(wang)遠鏡(jing)，其靈敏度(du)將比目(mu)前(qian)世(shi)界上最(zui)大射電望(wang)遠鏡(jing)陣列的(de)靈敏度(du)提高約(yue)50倍，巡天速度(du)提高約(yue)1萬倍。這意味著其運行(xing)將會產生空前(qian)規模的(de)數(shu)據，這就(jiu)要求(qiu)建(jian)立依賴于超(chao)級計算(suan)技(ji)術的(de)數(shu)據處(chu)理支(zhi)撐體系。據相(xiang)關預測，SKA每(mei)秒采集的(de)數(shu)據量計劃大于12Tb，相(xiang)當(dang)于2013年底中國(guo)(guo)互聯網國(guo)(guo)際(ji)出(chu)口(kou)帶寬的(de)3.5倍，相(xiang)當(dang)于谷歌每(mei)年數(shu)據量的(de)30倍。SKA超(chao)大的(de)數(shu)據規模無疑對現有計算(suan)技(ji)術和架構提出(chu)極大的(de)挑(tiao)戰。

近年(nian)來，中(zhong)國超級(ji)計算(suan)(suan)機(ji)獲得(de)了(le)突飛猛進(jin)的發展，成就舉世矚目，這為SKA大(da)數(shu)據處(chu)理作出更大(da)貢獻奠定了(le)堅實基(ji)礎。據2017年(nian)底發布的全球“超級(ji)計算(suan)(suan)機(ji)500強榜單，中(zhong)國“神威·太湖之光”和“天河二號”計算(suan)(suan)機(ji)再次(ci)蟬聯冠亞軍(jun)，浮點運算(suan)(suan)速度(du)分別為每秒9.3億億次(ci)和每秒3.39億億次(ci)。

中國超算實際(ji)上已經(jing)為(wei)SKA數據(ju)處(chu)理的準備(bei)工作作出了重(zhong)大貢(gong)獻。2016年八九月(yue)間，“天(tian)河二號”成(cheng)功運行了 SKA數據(ju)處(chu)理軟件系統框架(jia)，這是SKA項(xiang)目(mu)(mu)在大規(gui)模(mo)數據(ju)處(chu)理方面的研究跨出的至(zhi)關重(zhong)要的一步。目(mu)(mu)前，SKA各(ge)成(cheng)員國正積極申建科學(xue)與(yu)數據(ju)中心，中國方面也為(wei)此付諸努力，上海憑借(jie)中科院(yuan)上海天(tian)文臺和本(ben)地著名高(gao)校的人才和裝備(bei)優勢，已經(jing)把(ba)建設SKA亞洲科學(xue)中心項(xiang)目(mu)(mu)列入該市科技創新“十三五”規(gui)劃中，并贏得SKA組(zu)織的高(gao)度評價。

中國(guo)(guo)領(ling)先的信息技(ji)術(shu)企(qi)業積(ji)極參與(yu)SKA數(shu)據處(chu)理(li)項目。2015年(nian)5月，中國(guo)(guo)浪潮集團(tuan)有限公司(si)與(yu)SKA組織在京聯合舉辦(ban)了“SKA科(ke)學(xue)(xue)數(shu)據處(chu)理(li)研討會”，旨在尋找一種更加高(gao)性能低(di)能耗的計(ji)算(suan)(suan)架構，來應對全球最(zui)大(da)(da)“大(da)(da)數(shu)據”項目的科(ke)學(xue)(xue)數(shu)據處(chu)理(li)挑戰(zhan)。浪潮集團(tuan)相關負責人表示(shi)，該集團(tuan)與(yu)SKA組織針(zhen)對項目中計(ji)算(suan)(suan)量最(zui)大(da)(da)、最(zui)耗時的數(shu)據處(chu)理(li)軟件Gridding，已經展開了并行優化工(gong)作，并在世界大(da)(da)學(xue)(xue)生超級計(ji)算(suan)(suan)機(ji)競賽中設置了相應的賽題，激發全球各國(guo)(guo)超算(suan)(suan)年(nian)輕天才共同來解決這(zhe)一難題。

在SKA信號和數據傳輸方(fang)(fang)面，中方(fang)(fang)清(qing)華(hua)大學(xue)提(ti)出的(de)(de)方(fang)(fang)案在2017年10月(yue)召開的(de)(de)相關會(hui)議上被確定為“低(di)頻(pin)陣列望遠鏡的(de)(de)最終時間同(tong)步方(fang)(fang)案”。準確的(de)(de)時間同(tong)步系統是(shi)SKA的(de)(de)重(zhong)(zhong)要(yao)組成部分，將使SKA在繪制宇宙中氫的(de)(de)分布、研究脈沖星以及在銀河范圍內(nei)探測引力波等(deng)眾多領域做(zuo)出重(zhong)(zhong)要(yao)貢獻(xian)。清(qing)華(hua)大學(xue)提(ti)出的(de)(de)時間同(tong)步系統方(fang)(fang)案比SKA組織的(de)(de)需求提(ti)高了約兩(liang)個(ge)數量級，完全滿足SKA兩(liang)個(ge)階段的(de)(de)參數要(yao)求。

③苦練功夫 內外(wai)兼修

作為SKA項目(mu)的(de)創始國(guo)(guo)和(he)成員國(guo)(guo)之一，中(zhong)國(guo)(guo)早在SKA概念誕生伊始便(bian)積極參與(yu)其中(zhong)。1993年，國(guo)(guo)際無線電科聯(lian)召(zhao)開(kai)日(ri)本京都大會，中(zhong)國(guo)(guo)天文學家和(he)澳(ao)、加、法、德等(deng)國(guo)(guo)的(de)天文學家一道聯(lian)合倡(chang)議籌劃建造接收面積為1平方公里的(de)巨型射電望遠鏡，它的(de)靈敏度將比目(mu)前(qian)世(shi)界上最大的(de)望遠鏡高2個數量級。這就是(shi)SKA的(de)發端(duan)。

為(wei)爭(zheng)取SKA項目(mu)選址(zhi)中國(guo)，也為(wei)了(le)積累相關經驗，提(ti)高(gao)中國(guo)在(zai)射(she)(she)電(dian)天(tian)文學(xue)領域(yu)的(de)發展水平，我國(guo)天(tian)文學(xue)家南仁東于1994年提(ti)出構(gou)想：利用(yong)貴州(zhou)喀斯特(te)地貌(mao)在(zai)建設全球最(zui)大的(de)射(she)(she)電(dian)望遠鏡(jing)“FAST”，這就是被譽為(wei)“中國(guo)天(tian)眼”的(de)500米(mi)口(kou)徑(jing)球面射(she)(she)電(dian)望遠鏡(jing)。

由于SKA對無(wu)線電信號等(deng)方(fang)面非常苛刻(ke)的(de)(de)要求，中(zhong)國(guo)未能如愿成(cheng)(cheng)(cheng)為(wei)SKA項目建(jian)設地，但(dan)是中(zhong)國(guo)在天文學領(ling)(ling)域持(chi)續發力，并(bing)取得了豐碩成(cheng)(cheng)(cheng)果。2009年(nian)，世界上最(zui)大(da)(da)的(de)(de)大(da)(da)視場望遠鏡(jing)“LAMOST”建(jian)成(cheng)(cheng)(cheng)。2015年(nian)，我國(guo)在南極冰(bing)蓋制高點昆侖站附近(jin)建(jian)成(cheng)(cheng)(cheng)了“巡天”望遠鏡(jing)。2016年(nian)，“FAST”落成(cheng)(cheng)(cheng)啟用，成(cheng)(cheng)(cheng)為(wei)具有我國(guo)自主知識產權、世界最(zui)大(da)(da)單口徑、最(zui)靈敏的(de)(de)射電望遠鏡(jing)。2017年(nian)，中(zhong)國(guo)首顆(ke)X射線空間(jian)天文衛星“慧眼”發射升(sheng)空，攜帶的(de)(de)硬X射線調制望遠鏡(jing)是研究黑洞、中(zhong)子星等(deng)致密天體(ti)的(de)(de)“利器”。中(zhong)國(guo)在天文觀測領(ling)(ling)域的(de)(de)一個(ge)個(ge)飛躍，贏(ying)得了國(guo)際同行的(de)(de)尊敬(jing)。

與此同時(shi)，我國(guo)(guo)成(cheng)為SKA項目的大力推動者。2011年，包括中(zhong)國(guo)(guo)在內的7國(guo)(guo)作為創始(shi)成(cheng)員國(guo)(guo)成(cheng)立了SKA獨立法人機構SKA組織。目前已(yi)有中(zhong)國(guo)(guo)、澳大利亞、加(jia)拿大等10個(ge)核心成(cheng)員國(guo)(guo)，此外，還有來自(zi)20多個(ge)國(guo)(guo)家的約100個(ge)組織也已(yi)投身(shen)SKA的設計(ji)研發中(zhong)。

“堅(jian)持(chi)自(zi)主研發與(yu)國(guo)(guo)際(ji)合作并重，是中(zhong)國(guo)(guo)特色(se)自(zi)主創新的自(zi)覺之路。”科技(ji)部國(guo)(guo)際(ji)合作司(si)司(si)長(chang)葉冬柏(bo)表示，在苦練“內功(gong)”的同時(shi)，通過(guo)參(can)與(yu)SKA大科學裝(zhuang)置和國(guo)(guo)際(ji)大科學計劃，正不(bu)斷推動中(zhong)國(guo)(guo)前沿科技(ji)探索走進新時(shi)代，也為國(guo)(guo)際(ji)科學創新貢獻(xian)了(le)中(zhong)國(guo)(guo)智慧。

平(ping)方公里陣列射電望遠鏡

平方公里陣(zhen)列射電望遠(yuan)(yuan)鏡(jing)(jing)（Square Kilometer Array,簡(jian)稱(cheng)SKA）是國際(ji)天文學界計劃建造(zao)的世界最大綜合孔(kong)徑射電望遠(yuan)(yuan)鏡(jing)(jing)，接收面積達(da)1平方公里，將為人類認(ren)知宇宙提供重大機遇(yu)。SKA由大約3000個15米(mi)口徑拋物線面天線、250組(zu)中頻和低頻孔(kong)徑陣(zhen)列組(zu)成，分布范圍大于3000公里，形成旋臂陣(zhen)列望遠(yuan)(yuan)鏡(jing)(jing)。

SKA將致力(li)于回答關于宇宙的一些基本(ben)問題，如，第一代天體(ti)如何形成(cheng)(cheng)、星系演化(hua)、宇宙磁(ci)場作(zuo)用(yong)、引力(li)本(ben)質(zhi)(zhi)、暗(an)物質(zhi)(zhi)和(he)暗(an)能量(liang)等(deng)。SKA項目(mu)涉及天文(wen)、無線電、信息科學、力(li)學、機械、土木工(gong)程(cheng)等(deng)眾多領域；集成(cheng)(cheng)眾多高科技成(cheng)(cheng)果，如高性能低造(zao)(zao)價寬帶天線制造(zao)(zao)、高品(pin)質(zhi)(zhi)接(jie)收機、海量(liang)數據傳(chuan)輸處理、信號處理、系統工(gong)程(cheng)等(deng)，需要廣泛的國(guo)際合作(zuo)來實(shi)現。

【責任編輯：語謙】