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武向平院士:中国天眼FAST最终将被世界巨眼所代替

2018年06月01日 09:21 次阅读 稿源:科学大院微信公众号 条评论 芒果TV年卡三折特惠

两年前,中国科学院国家天文台在贵州成功建成了世界上最大的单口径射电望远镜FAST,口径500米,大家常把它叫做“天眼”,面积有30个足球场大。FAST于2016年9月建成,目前正在调试,尚未正式工作。但在网上有大量关于FAST重大发现的传说,这些所谓的重大发现都是不靠谱的。

(本文由科学大院根据武向平院士在中科院第十九次院士大会上的报告整理而成,首发于科学大院)

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FAST:单口径射电望远镜的终结者

FAST的真正用途是科学研究,在调试阶段,它第一次在中国国土上发现了脉冲星。脉冲星是自转的中子星,非常致密,直径大概十公里。中子星在1967年被科学家发现,50年之后我们终于在自己的国土上用一口五百米的 “锅”把它看见了。

天文望远镜为什么要选择射电波段作为工作波段呢?从下图可以看出,在无线电波段的整个波谱中,射电波段的大气不透明度为零,也就是说所有波段里面只有射电波段在地面上可以直接进行天文观测,不需要到山上,也不需要到太空去。全球无线电波段是唯一可以实现洲际联网观测的,这样的话,全球的射电望远镜可以连成一个网,只要没有干扰就可以工作。

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到目前为止,四项射电波段的重大发现获得了诺贝尔奖,其中包括1)脉冲星的发现;2)两个脉冲星绕转产生的引力波辐射的发现;3)大爆炸火球遗迹的发现;4)宇宙微波背景辐射微弱涨落的发现。

射电天文学的研究始于1931年,当时人们建了一个轮子,轮子上面放一个9.5米直径、可以转动的天线,使人类第一次看到了来自太空的无线电辐射。

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1937年,人们造出第一口“锅”,口径9.5米。它的工作波段正好位于调频广播波段,使人们第一次绘制出了银河系图像,尽管非常粗糙。

现在“锅”越来越大,德国和美国都曾研制了最大口径100米的可转动射电望远镜。而世界上曾经存在的最大的可动射电望远镜口径达305米,自1961年建成后,它发现了大量成果,包括诺贝尔奖级的发现,现在这个“锅”锈迹斑斑基本不能工作了。

55年以后,我们建造出FAST这样一个口径达500米的射电望远镜,可谓是建筑史上的奇迹。在这里也向工程的缔造者和建设者表达最崇高的敬意。由于建造难度巨大,再加上射电望远镜建造观念的变化,FAST将成为单口径射电望远镜的终结者。

干涉阵列带来射电望远镜建设革命

为什么建FAST这么大的望远镜?射电望远镜追求的是高灵敏度——能够收到更多光子,高分辨率——能够看的更加清楚,大视场——能够看的更多的目标。高灵敏度就需要大接受面积,高分辨率就需要大口径,大视场反而需要小的口径。

FAST口径大,灵敏度高,可以观测到微弱的信号。缺点一是分辨率低,看得远却看不清,在最好的工作波段只有3角分,人眼的分辨率是1角分;二是视场小,能够看到非常暗弱的天体,目前无法实现多目标同时观测。

为了解决射电望远镜设计上的缺陷,早在1946年Martin Ryle想通过射电干涉以解决这一个问题,他的这一想法获得了诺贝尔物理学奖。

射电干涉阵列其实就是把一堆小的天线堆在一起,每个天线都可以接收光子,所有光子叠加起来,灵敏度就提高了。由于望远镜的视场由单一口径望远镜决定,所以小望远镜可以看到更大范围。同时,布设望远镜时距离拉开,可以使分辨率提高。这个想法可以很好地解决望远镜中很多的设计问题,因此获得了诺贝尔物理学奖。

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干涉阵列思想示意图

我们试想下,如果把FAST分解会发生什么事儿?你会发现,它的灵敏度没有变,因为面板一样大;分辨率提高,因为距离拉开了;同时视场变大,因为视场是每一个单块决定,于是把望远镜分解反而更好。

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1946年干涉阵列思想提出之后,世界上出现了很多大大小小的干涉阵列望远镜,遍布全球,解决了很多问题。美国首先将自己国土上的望远镜连起来,形成了长基线干涉。欧洲联合南非、中国等国家,组成了跨全球工作的望远镜阵列(EVN)。东亚的望远镜也连在一起,形成VLBI系统。我国的望远镜也组成了VLBI系统,在乌鲁木齐、昆明、上海和北京都有布设,为探月工程发挥了重大作用。

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中国望远镜VLBI系统

SKA:完全数字化的望远镜

目前全世界的望远镜是可以连起来组成网络的。可以说地球直径有多大,望远镜分辨率就有多高。既然所有的望远镜都连起来了,为什么还要再建望远镜呢?

原因很简单。因为望远镜分布在全球各地,望远镜工作时依赖原子钟计时。它在观测同一目标时既要记录信号也要记录时间。不同的时间在干涉研究前要事先转换,影响效率。

另外,所有的望远镜都是靠机械转动来跟踪目标。过去的雷达是靠机械转动跟踪目标,而现在的雷达已经发展到线控雷达,即雷达不动就可以跟踪目标,可以用数字线控指向跟踪目标,提高观测效率。天文学家就在想,能不能把望远镜的传统干涉技术加上线控雷达技术来建造一台信息化时代的射电望远镜,这就是我们要讲的平方公里望远镜(Square Kilometer Array , SKA)。世界上10个国家组成了平方公里阵列射电望远镜国际组织,中国是成员之一。10年前,人们希望投入65亿欧元把这个望远镜建设起来,但是现在看来远远不够。

下面结合视频给大家讲讲SKA的组成。

SKA的组成

大家首先看到是“锅”,每个大小15米。看着很壮观,15米大小的锅建2500个,组成了一个5公里的中心致密阵列,再延伸到3000公里组成一个更大的场景极限。

中心部分有三种天线,第一种在高频波段工作,第一批天线由位于石家庄54所造出来,这种天线要转动跟踪目标的。

为了扩展工作波段到低频,还有第二种和第三种天线。第二种天线是大量非常简单的偶极天线,有多少?每个station有250个,一共是512个station,总数是130万个。第三种是中频波段工作的天线,完全相控雷达致密阵列天线,每块板子的面积是3米*3米, 96个板子组成一个station,共250块,接收面积非常巨大。不仅中心部分的望远镜摆得非常致密,三种不同的望远镜还要延伸出去,随着基线延伸每一种天线都摆在不同位置,组织干涉时分辨率非常高,干涉的臂长设置成螺旋形,基线最长3000公里。

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SKA由小天线实现非常大的视场——可达30度。它由非常多的阵列小天线组成,实现了高灵敏度,同时用非常长的基线实现了高分辨率。根据目前的时间表,SKA的建设分两个时间段,首先建10%的SKA1,明年开始建设,先建13万只小的天线,200口“大锅”,到2025年建成第一批后再完成剩下90%,建130万只天线,250个致密阵,2300口“大锅”,2030年全部完成。

建在什么地方?我们定在非洲9国(中心在南非)和澳大利亚的西部。为什么选择这些地方?因为这些地方比较荒凉,而荒凉的地方是天文学家喜欢去的地方,没有干扰,非洲经济还不发达,澳大利亚西部人比较少。在非洲将布设高频阵列——“大锅”,基线可以到三千公里;在澳大利亚西部布设130万个小天线。

这样一种天线的组合,看起来非常简单,建造似乎看起来很容易,但这是世界上最先进的望远镜。大家来看看这个望远镜怎么工作的。一个小天线,不管多么简单,都接有一个智能接收机,使其信号数字化。所有的天线都是数字化的,然后在当地立即进行多波束合成。这些波束的每一个频道,同时传到中央处理器,数据量非常巨大,这是完全数字化的望远镜,我们叫做软件望远镜。

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SKA除了高频波段,其他两个波段的望远镜,放地上不动,完全利用线控雷达原理来追踪目标,操作简单,动态范围非常高。

同时,SKA数据量非常大,我们知道每一个天线都要数字化,随后都要做相关处理形成多波束。130万个天线都数字化以后数据量是全球因特网流量的一百倍,可谓是真正的大数据望远镜。怎么处理这些数据就变得非常困难,要处理每1000Pb/s的数据量,大概需要1000Pb/s的运算量才能实现,所以如果要把目前的计算机组合起来,需要一亿台PC机才可以做处理,当然这种计算机目前不存在。刚刚建伟讲到计算机摩尔定律,每18个月翻一倍。2025年我们大概才可以开始工作,理论讲SKA将把摩尔定律用到极限,所以下一个计算怎么做?大概就得靠量子计算或别的计算方式。

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SKA对数据处理提出了巨大的挑战

对天文学家提出的另外一个挑战是数据存储和读取,10%的SKA建成后每年会产生130PB的数据,这对我们的读取和存储带来非常大的挑战。虽然SKA望远镜看起来数据量非常大,技术也很复杂,但所有的技术大家都在过去的十年建了很多小设备来验证,目前来看不存在技术瓶颈。

过去10年,包括中国、美国和澳大利亚,在非洲、欧洲都建设了大大小小的SKA探路者设备。比如荷兰的LOFAR,中国的21CMA,美国的LWA,MITEoR和PAPER,南非的HERA和澳大利亚的MWA。

13年前,我们在新疆天山就放置了10287个天线,以验证SKA的这一概念,在中国实际我们已经用了1%的SKA。

SKA要做什么

SKA建设如此大的一个宏观设备仅仅为了做技术,为了验证天线能工作吗?不是的。它要追求一个宏伟的科学目标。

它要做什么事儿呢?它要在宇宙中寻找非常致密的天体,检验引力理论,特别是检验广义相对论是否正确,要探测超大质量黑洞的引力波。有一个重大计划叫做“生命摇篮计划”——我们希望找到宇宙中存在的地外文明和生命起源。我们希望解决宇宙的磁场起源问题,希望看到宇宙第一缕曙光,即恒星从哪里来,希望探索暗物质和暗能量的本质问题。所以SKA有非常宏伟的科学目标。科学家们定出的SKA优先科学目标有两个:1)要看到宇宙第一缕曙光——寻找宇宙中第一个形成的天体;2)找脉冲星——验证引力理论是否正确。

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什么是宇宙的第一缕曙光?大爆炸130亿年开始,宇宙慢慢膨胀冷却下来变得黑暗。某一个时候宇宙中物质汇聚起来有了恒星,恒星点亮整个宇宙。我们希望看到宇宙第一颗恒星从哪里来。所以2012年《Nature》上有人说,如果谁把第一颗恒星探测出来就可以获得诺贝尔奖,这是非常重大的科学现象,值得期待。

脉冲星自1967年发现以来,人类已经找到了2600多颗,为什么还要继续找下去呢?因为有300颗毫秒脉冲星,其中有部分可以用做引力波测量和导航。SKA建成以后,科学家们希望发现银河系里所有的脉冲星,大概有4万颗,其中两千颗为毫秒脉冲星,这可以检验引力理论。

科学家还希望发现更多的脉冲星对来检验引力理论是否正确,我们知道第一例脉冲星对发现的时候获得了诺贝尔奖。我们特别希望看到一对脉冲星和黑洞,找到这一对的人一定特别伟大能获得诺贝尔奖。为什么呢?因为脉冲星的运转是椭圆轨道,无论它运动到黑洞的任何一个部位都可以精确检验黑洞的时空性质,从而对引力理论提供最精确检验。同时我们希望利用脉冲星做引力波探测,脉冲星发出周期性的脉冲,当引力波到来时,因其改变了时空的性质,便改变了脉冲到达的时间间隔,探测到这些我们便有机会看到超大质量的黑洞的脉冲星和引力波。

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SKA还有其他非常宏伟的科学目标,我只提一点,就是地外文明的探测。这个望远镜非常灵敏,灵敏到什么地步呢?在五十光年范围内有一架飞机飞过,飞行员通话我们都可以听到。我们希望十年以后来回答这一个问题——是否在五十光年范围内有地外文明。同时还想找到是否有适合人类居住的星球,特别在射电波段是否有大分子,特别是有机分子,比如蛋白质和氨基酸。

所以SKA是非常先进的下一代的射电望远镜,是超越国际的大科学装置,它将主宰射电天文学未来五十年的发展命脉。SKA是中国射电天文学走向国际的一个最佳机遇,是由科技部牵头目前中国参加的第二大国际合作计划。

中国有能力把这些天线造出来,高效地安装出去。但是我个人认为,中国参加SKA的主要目的是追求宏伟科学目标和取得丰硕的科学回报,那才是我们参加SKA的唯一和最终目的。如果科学做不出来,仅仅参加SKA是毫无意义的!

数据处理:“卡脖子”的东西

目前我们面临最大挑战是即使SKA已经建成,获得了数据,我们也无法实现科学目标。因为我们没有人会处理数据,这个数据不仅仅是因为它大,而是它有非常大的挑战,相关的经验和技术是中国目前没有掌握的。

特别是低频波段工作,当望远镜分开比较远的时候,电离层的影响将使其失去干涉相位;当把视场扩的比较大时,我们还没有有效的处理软件;当宇宙信号被埋没在五个量级的背景中的时候,我们还找不到这个信号;我们还没有实现多波速成像技术,这是中国目前没有掌握的东西。

回顾世界干涉望远镜发展历史,在71年前澳大利亚人已经做到了。资本主义强国都是射电望远镜的强国。1983年,我国在密云建设了28面9米大小的射电孔径望远镜,于2000年退役,没有留下什么遗产。因为我们老一辈的科学家退休了,我们的软件用的是国外的,所以至今没有留下什么东西。2005年,我们在新疆布设1万个天线,开始摸索经验怎么处理SKA的数据,编写第一个属于自己的程序,历时10年时间。所有的年轻人都不愿意做这一件事情,因为它产出不了论文,所以没有办法毕业。

所以说,中国射电天文学家一直是他人软件的忠诚用户,我们在原理和软件上没有做出什么贡献,而到了今天我们需要拥有自己的软件了。这才是射电望远镜“卡脖子”的东西,不是建不出来,而是数据处理不了。编写软件需要投入很多精力,年轻人不愿意做,所以只有我一个人来做。

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我花十年时间写一个软件,期间仅仅发表两篇论文,如果让年轻人来做就不能毕业也提不上职称。

现在中国要参加SKA是大势所趋,我们要进入SKA学,为构建人类命运共同体做出贡献,但是我们的射电天文学家并没有准备好。有些人试图跳过SKA的验证系统,要知道国际上建立一大堆东西就是为了理解它怎么工作,怎么把软件写出来,而一些人想等着用SKA数据来做处理。当跟领导汇报时,领导会说数据处理容易,交给工程师和计算机就可以,但他们没有想到这是物理问题。

没错,我们需要计算机,需要软件工程师,但最主要的还是物理问题。当我们把这个问题汇报给主管领导时,领导说数据再大也没有问题,中国有最强大的计算机,所以就让我们学习天河怎么进行计算机数据处理,实际上它是无助于SKA数据处理的,因为这是物理问题。

国际上建了很多SKA处理软件,但并不分享,虽然大家都是SKA的大家庭成员。大家都想拿到SKA数据以后得出第一发现,因为在这个大家庭里面大家是平起平坐的,谁拿到了数据,谁做出了成果那就是谁的。我们需要有正确的认识。

未来将是SKA主导的时代

FAST是一个非常有效的单口径望远镜,灵敏度高,我们对它很期待。但FAST和SKA数据处理一点关系没有,为什么呢?一个是单口径望远镜的聚焦成像,一个是干涉阵列望远镜,所以不能靠FAST给SKA培养人。

过去五年中国科学院学部给了我们两个任务:让我们制定出未来中国射电天文学发展的设备,其中两项与射电天文有关。大家一致认为:在国内立足单口径射电望远镜FAST,在国际上参加干涉阵列望远镜SKA,自主研究和国际合作相结合,实现单口径和干涉阵列的协同发展。

我们科学目标有两个:1)基于宇宙第一缕曙光寻找开展中心氢宇宙学;2)基于脉冲星寻找检验引力理论和寻找引力波。同时在地外文明探测中做出自己的贡献。未来更下一步发展,我们希望走到空间去,在空间做低频干涉。

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不管大家是否乐意,FAST虽然建完目前还在调试,但FAST的寿命有限,还要保持自己的大小、灵敏度领先的地位也就十年时间。10%的SKA建成以后的灵敏度,分辨率就已经超过FAST,特别是SKA的视场巡天速度远远超过FAST,中国天眼最终将被世界巨眼所代替。不管你愿意不愿意,未来将是SKA主导的时代。谢谢大家!(图片均来自武向平院士报告PPT)

武向平

我国天体物理学家。中国科学院国家天文台研究员,中国科学院院士,中国天文学会理事长,中国科学院大学天文与空间科学学院院长。主要从事宇宙学的研究,包括宇宙中的引力透镜效应、星系团的动力学特性以及宇宙再电离探测等方面,目前担任国际大科学工程“平方公里阵列射电望远镜 SKA”中国首席科学家,国际 SKA 科学与工程咨询委员会委员等职。

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