参与SKA国际大科学工程回答宇宙的最基本问题

文/左琛 张弛

平方公里阵列射电望远镜（SKA）是一项由全球多国参与的国际大科学工程，旨在建造和运行世界最大规模综合孔径射电天文望远镜，主要工作在厘米—米波电磁波段，以大量小单元天线汇聚实现综合孔径射电干涉成像，其总接收面积达一平方公里。

SKA由政府间国际组织——平方公里阵列天文台负责建设运行，澳大利亚、中国、意大利、荷兰、葡萄牙、南非、瑞士、英国、加拿大、法国、德国、印度、日本、韩国、西班牙、瑞典等国家参与建设。平方公里阵列天文台总部设在英国，两个台址国为南非和澳大利亚，分别设立由数百个反射面天线和数千个小天线阵组成的阵列。SKA的巨大尺寸和天线数量意味着，其建成后将在灵敏度、分辨率和巡天速度上取得重大飞跃——高灵敏度将使它能够比现有的望远镜看到更深远的宇宙；高分辨率使它能够揭示比以往观测到的更清晰的细节；大视场使它可以一次看到更多的天空，极大地提高巡天速度，这些卓越性能决定了SKA建成运行后将探索发现宇宙中的一些重大科学问题。

SKA的科学目标：探索宇宙的最基本问题

在SKA建设准备阶段，项目的具体管理机构——国际SKA组织联合全球20多个国家500余名顶尖科学家，共同讨论确定了SKA望远镜的优先科学目标，随着相关研究不断深入，SKA的科学目标也在不断调整和凝练，但SKA始终致力于回答宇宙的一些最基本问题，如宇宙的第一缕曙光、宇宙的结构形成、宇宙中的生命起源，这些问题必将开辟人类认识宇宙的新纪元。

根据SKA建设计划，目前SKA第一阶段由两套独立的观测设备组合而成，分别是工作在350MHz—15.4GHz的中频阵列和50—350MHz的低频阵列，两个阵列不同的探测频段和工作原理将完成不同科学目标的实现。SKA第一阶段的科学目标可概括为8个研究方向。

一是宇宙黎明和再电离时期探测，也被列为SKA首要科学目标之一。该方向将回答宇宙起源的关键问题——何时何地产生了第一代恒星、星系和黑洞？通过SKA低频阵列探测氢发出的微弱射电波，期望直接探测到宇宙的再电离区域并基于统计学方法给出宇宙黎明和再电离的功率谱，发现宇宙第一批发光天体，揭示宇宙早期从黑暗走向光明的历史。

二是宇宙学和暗能量。过去数十年，最出乎人们意料的一件事是，构成人体、列入元素周期表中的普通物质仅占据宇宙总量的极少部分，其质量还不及不可见的暗物质的1/5。后来，科学家们又发现了更大量的暗能量。SKA将通过中频阵列和低频阵列开展中性氢星系巡天等巡天观测，研究中性氢分布及其信号特点以及在宇宙学上的应用，揭示宇宙大尺度结构的分布特征和演化；并将通过把暗能量状态方程测量到更高的精度，加深人类对这些神秘暗成分的了解。

三是恒星演化与形成。第一代恒星是何时以何种方式形成的？恒星形成率是如何随时间变化的，又是为什么？起初恒星诞生于超星团的高密度区中，但如今这种超星团并不多见。这一模式何时何地首次出现？又为何消失？对于这些问题的解答，SKA将起到关键作用。通过SKA或可探测到宇宙诞生5亿年时的超星团，并绘制宇宙诞生10亿年时的超星团结构图。

四是射电暂现源将是SKA探测未知天体现象的重要渠道。快速和剧烈的宇宙射电暴的对应体是什么？射电暴能揭示关于宇宙的哪些组成？通过SKA低频阵列和中频阵列的巡天观测和特殊天区的定点观测，将探测来自银河系外的快速射电暴，从而揭示宇宙中神秘射电脉冲爆发现象的起源，并解释其同中子星以及致密天体并合现象的联系。

五是星系演化。SKA将实现首次在宇宙演变的时间尺度上观测星系演化，这种演化过程可通过原子氢的积累和消耗来追踪。凭借其超强的原始灵敏度，SKA将能探测到遥远的早期宇宙中星系形成前的中性氢气体聚集现象。

六是宇宙磁场。磁场普遍存在于不同层次的宇宙天体中，在宇宙的诞生和长期演化过程中起着非常重要的作用。SKA能够帮助科学家探测、研究和理解宇宙各种磁场的本质，解释磁场如何及何时形成并演化至今。

七是脉冲星计时和引力检验。脉冲星测时把旋转极快的辐射无线电波的脉冲星当作银河系中精确的时钟使用。任何长周期引力波经过脉冲星都将在毫秒脉冲星的时间测量中诱导出具有相关性的扰动。SKA将通过脉冲星计时观测探测来自各个方向和距离的长周期引力波背景，随着灵敏度的提高和观测时间的增加，将有望分辨出这类引力波的各个来源。

八是生命起源。太空中的砾石如何形成行星？我们是宇宙中唯一的智慧生命体吗？SKA的高分辨率足以观测到恒星周围类地轨道上行星的形成过程；SKA超高的灵敏度和特有的观测频段使得探测空间中的复杂有机物成为可能，将有可能首次观测到来自临近恒星周围行星的类似于人类活动发出的射电信号。

我国参与SKA科学研究的部署考虑

SKA是由多国合作共建的、用于开展基础研究的大科学装置，将带来大量科学突破，其科学目标的实现归根结底要靠来自全世界的科学家，这些科学突破必将在各国优秀科学家之间产生竞争，尤其是对望远镜观测时间的竞争。早在建设准备阶段，我国就积极对参与SKA科学研究的领域方向及其人才队伍储备上进行部署，经过多年研讨论证逐步确定了中国SKA“2+1”科学目标以及“三步走”的相关部署计划。

中国SKA“2+1”的科学目标，具体包括十个科学研究方向。其中“2”为两个重点科学方向，一是利用中性氢探测宇宙黎明和再电离时期，即所谓“宇宙第一缕曙光探测”；二是寻找脉冲星，并以此精确检验引力理论和实施引力波探测。这两个重点方向未来将占据SKA望远镜主要的观测时间。“1”为其他的八个科学方向，包括中性氢宇宙、暂现源、宇宙磁场和地外文明探测等。中国SKA“2+1”科学目标选定的十个科学方向，与国际SKA遴选的优先科学目标高度契合。为了更好地遵循基础学科的研究规律，满足不同研究任务目标需要，科学技术部对于两个重点科学研究方向推行了科学技术部主导、管理机构主责、责任单位统筹力量的组织管理机制和责任体系，保障重点科学方向的持续投入、研究队伍的长期扩大。

根据目前的规划，SKA第一阶段的建设将持续到2029年，而SKA第二阶段的建设和全面运行则需要更长的时间，因此我国参与SKA科学研究是一个长期的、需要持久投入的过程。结合国际SKA的建设进度，我国确定了参与SKA科学研究“三步走”的分阶段部署计划。第一阶段将利用SKA建成前的窗口期，集中力量发展国内射电阵列望远镜数据处理技术，培养一批射电阵列射电望远镜观测技术和数据处理人才，为未来在望远镜建成后能够提出好的科学项目建议奠定基础；第二阶段即望远镜初步建成、调试运行期间，利用初具规模的望远镜进行观测并获得早期SKA科学数据，集中人力投入数据处理和分析，掌握SKA核心数据处理技术和软件，凝练出部分优势方向，积极参与SKA国际科学工作组，提出被国际同行接纳的SKA项目建议；第三阶段即SKA望远镜正式运行后，在与国际同行合作研究中，提出被广泛接受的项目建议，领衔SKA部分科学任务，争取在个别领域实现领跑。

持续加强SKA科学研究人才队伍建设

基础研究能力决定了一个国家科技创新能力的底蕴和后劲，是一个国家科研创新能力的核心所在，需要加大对冷门学科、基础学科和交叉学科的长期稳定支持，鼓励广大科技工作者勇闯创新“无人区”。我们知道，人才特别是尖子人才在原始创新中发挥着不可替代的作用，要把发现和培养创新型人才作为基础研究的核心任务。

立足于中国参与SKA的科学研究目标，持续加强人才队伍建设，加强青年人才培养和后备人才储备，促进国际人才集聚和国际人才交流合作，做好SKA科学创新团队的培养、聚集和使用。依托科学技术部SKA专项，我国已启动了“三步走”中第一阶段的任务部署，优先开展了SKA两个重点科学方向的项目和人才一体化实施。在已立项支持的两个重点科学方向任务中，项目研究团队以青年人才为主，并勇于给青年人才压担子，近一半的项目负责人年龄不满40岁。除了给青年人才配置优质科研资源，还需考虑如何为青年人才成长创造一个更为宽松的环境，建立评价新发现、新原理、新方法、新规律的重大原创性和科学价值、代表性论文等科研成果质量和水平的项目评价制度；建立以创新价值、能力和贡献为导向的人才评价指标体系，保障我国科研人员在参与SKA国际大科学工程科学研究中取得重大原创性突破。