SKA：人类认识宇宙的新纪元

SKA：人类认识宇宙的新纪元

中国SKA科学团队 黄滟组稿

导读

由宏伟科学目标驱动的平方公里阵列射电望远镜（Square kilometer Array, SKA）将是人类有史以来建造的最大射电望远镜，由全球十多个国家共同出资建造、运行、维护和管理，是一部超越国界的全球大科学装置。SKA总部位于英国，两个台址将位于澳大利亚、南非及南部非洲8国的无线电宁静区域，由分布在3000公里范围内的2500面15m 口径碟形天线、250个直径60m 的致密孔径阵列以及130万只对数周期天线组成的稀疏孔径阵列组成，其等效接收面积达平方公里级，频率覆盖范围50MHz-20GHz。SKA是一部快速傅里叶变换望远镜、数字化望远镜和软件望远镜，体现诸多当代科学技术的最新和最高成就，并将推动全球制造、通信、计算、能源等一系列产业的迅速发展。SKA将于2021年开始建设，第一期工程到2028年建成总规模的10%。SKA作为遥望宇宙的巨眼，必将为人类带来全新的宇宙信息，取得一系列重大科学发现。

图1: 平方公里阵列SKA（图片来源：SKAO）

正文

目前，平方公里阵列射电望远镜（SKA）已经进入关键阶段：2019年11月SKA上海工程技术大会后，SKA各工程工作包全面通过了关键设计评审，标志着SKA从设计阶段正式迈入工程实施阶段。根据目前规划，2028年，SKA第一阶段建设总规模的10%（简称SKA1）之总目标将实现并投入观测，成为划时代的天文学超级大科学装置，将带来射电观测天文学领域的巨大变革。SKA将从深度和广度、全方面和全时域的四维维度揭示宇宙的演化规律，孕育重大科学发现和突破。

这是继2012年国务院授权科技部代表中国参加SKA建设准备阶段、2019年包括中国在内的七个创始成员国正式签署SKA天文台公约，成立平方公里阵列天文台（SKAO）政府间国际组织之后的又一个SKA发展史上的里程碑：SKA已经从概念设计转向工程实施，而中国已经从参与SKA设计建设阶段转向使用SKA取得卓越科学发现的准备阶段。

作为国际SKA大家庭的一员，中国参与SKA的最大驱动和终极目标是获得丰硕的科学回报。中国SKA科学团队在秉承国际合作开展大科学研究的前提下，经过长期探讨、广泛征询、充分论证和顶层设计，确立了中国SKA清晰的科学目标和发展路线图：即在SKA1实施阶段，确保两个优先突破领域（宇宙黎明和再电离探测；脉冲星搜寻、测时和引力理论检验）和若干具有中国特色的研究方向，概括为‘2+1’推进战略。此发展战略与国际SKA1遴选的优先科学目标高度契合。中国SKA科学团队在首席科学家武向平院士带领下，完成了《中国SKA科学报告》，详尽描绘了中国参与SKA的科学基础和目标，展现了中国参与SKA的宏伟科学蓝图。目前，中国SKA科学团队正在科技部中国SKA办公室领导下，凝练和部署未来中国SKA科学实施方案。

图2: 近期出版的《中国SKA科学报告》

以宏伟科学目标驱动的SKA，未来观测时间分配和科学目标实施有其独特的政策。优先和重大科学目标将占据SKA1首批启动的观测任务之大部分时间。而这些以发挥SKA巡天优势的优先和重大项目，科学目标明确，占用望远镜资源多，非任何一个科学家个人所能承担，团队合作、共同研究将成为实现SKA优先和重大科学目标的主流。个人的业绩和国家的荣誉，最后将体现在所参与项目的贡献和重要性上。我们要逐步习惯于这种新的科学研究国际合作模式，目前和未来越来越多的重大科学项目都非个人所能完成，重大科学问题研究的全球化进程正在加速，而SKA将是科学研究全球化的典型代表和先锋。我们所制定的‘2+1’科学发展战略，大部分将融入SKA科学研究的国际大家庭中，未来SKA从重大科学发现中体现中国贡献将是我们赖以追求的目标。

我国SKA‘2+1’科学发展战略之‘2’无疑将是优先发展和重点支持的两个领域：

1. 宇宙黎明和再电离探测

2. 脉冲星搜寻、测时和引力理论检验

而‘2+1’科学发展战略之‘1’则包括以下八个研究方向：

1. 中性氢巡天和宇宙学研究

2. 宇宙磁场

3. 星际介质

4. 暂现源探测

5. 活动星系核和黑洞

6. 中性氢星系动力学和演化

7. 生命摇篮

8. 超高能宇宙射线低频探测

未来十年内，中国SKA将围绕这十个科学方向开展研究和攻关，并根据国际大环境结合中国自身特点，对科学研究方向进行实时调整和更新，同时注重培育和扶持一批新兴的、有潜力的科学研究课题。全面提升我国未来使用SKA1的竞争力。

中国SKA十大科学方向

宇宙黎明和再电离探测

01

（供稿：武向平 中国科学院国家天文台/

上海天文台）

追溯宇宙演化的长河，随着138亿年前大爆炸的余晖逐渐散去，宇宙曾经历过一段漫长的黑暗时期。忽然有一天，在宇宙的深处，诞生了第一代发光天体，这些天体的光芒逐渐照亮了整个宇宙，从此给我们的宇宙带来了蓬勃的生机，这段时期被称为宇宙黎明和再电离时期。

宇宙黎明和再电离时期探测被SKA1列为首要科学目标之首，就是要探测到宇宙中诞生的第一缕曙光，以期揭示宇宙从黑暗走向光明的历史，拓宽人类观测和认识宇宙的能力，填补人类认识宇宙的空白。这也是当今观测宇宙学最热门和最具挑战性的课题。

来自宇宙黎明和再电离的中性氢辐射信号非常微弱，被淹没在茫茫的前景辐射之中，捕捉到异常困难。SKA将是人类有史以来建造的最大射电望远镜，是探测宇宙第一缕曙光的绝佳利器，与目前正在运行的SKA探路者相比，SKA1-low是唯一可实现宇宙再电离成像观测的试验装置。我们期待在SKA1的低频波段，人们在不久的将来可以拨开重重迷雾，追寻到宇宙的第一缕曙光。

图3: 早期的宇宙除了大爆炸遗留下来的弥散光子（微波背景辐射CMB），宇宙到处是一片黑暗。当宇宙中开始诞生了第一批恒星，整个宇宙才逐渐变得明亮起来。遗憾的是，人们至今尚未能探测到宇宙这段从黑暗走向光明的历史。SKA将会填补这段人们认识宇宙的空白。（图片来源：arXiv：1907.06663）

脉冲星搜寻、测时和引力理论检验

02

（供稿：李柯伽 北京大学）

SKA把脉冲星观测研究列为两大核心科学课题之一，因为对脉冲星的观测研究可以提供物质世界运动规律两个核心问题的答案：1、物质的“存在”和运动规律；2、物质“存在”所占据的时空的运动规律。对于第一个问题，常见的物质是原子核和电子组成的，而目前原子核涉及强作用低能行为，其物理规律还需要进一步探索。对于第二个问题，目前认为：探索时空本质，即研究引力物理规律。

脉冲星是一种极端致密的天体，其密度和原子核密度相当，是理想的宏观强相互作用实验室。因其极端致密，脉冲星旋转稳定性与国际原子钟组可以相媲美。通过监测脉冲星发出的周期信号及其变化，可以直接探索脉冲星到地球之间的时空结构，从而检验描述时空的基本物理定理。

图4：如能通过脉冲星搜寻，找到在黑洞附近的脉冲星，即能通过脉冲星测时方法直接探测黑洞周围的时空物理规律。（图片来源：www.skatelescope.org）

中性氢巡天和宇宙学研究

03

（供稿：陈学雷 中国科学院国家天文台）

现代宇宙学认为宇宙起源于大爆炸，但是大爆炸究竟是怎样发生的、大爆炸之前有没有宇宙？占宇宙总密度95%的暗能量和暗物质究竟是什么？这些问题仍然是有待解答的重大科学难题。平方公里阵列SKA 为观测从大爆炸直到今日的宇宙演化过程提供了强有力的观测手段，有望为解开宇宙起源、暗能量与暗物质之谜等重大宇宙学难题提供重要线索。

图5: SKA中性氢巡天（图片来源：SKA Cosmology Science Working Group）

氢元素占宇宙普通物质总量的76%，分布十分广泛，通过观测宇宙氢原子产生的谱线即中性氢巡天，SKA可以绘制出不同时期的宇宙三维图像，从而展示宇宙中的物质是怎样在引力作用下从早期的均匀分布逐渐演化形成非均匀的星系大尺度结构。而通过对大尺度结构的精密测量，又可以分析暗物质和暗能量的性质，以及宇宙早期初始状态的信息。此外，在这种大面积的巡天中也可以探测到大量宇宙射电源，对其分布的统计分析也可以为宇宙学研究提供宝贵的数据。

宇宙磁场

04

（供稿：孙晓晖 云南大学）

宇宙中不同层次的天体，如行星、恒星、星系和星系团，都有磁场。银河系中大约有上千亿颗恒星，在恒星之间充满了气体、尘埃还有磁场。磁场像粘在气体上一样，跟随着气体一起运动。气体一方面绕银河系中心旋转，另一方面随机运动，所以银河系的磁场像一个复杂的网络（如图6）。目前的观测发现银河系磁场非常弱，强度大约只有地球磁场的百万分之一，但是由于银河系体积非常大，所以磁场的能量非常大。这么大的能量使得磁场在银河系的演化过程中起重要作用。同时我们也想问磁场是从哪儿来的呢？又将如何演化呢？这些问题的解答需要依靠将来SKA的大规模偏振巡天观测。

图6：颜色表示尘埃辐射的强度，条纹指示磁场取向（图片来源：ESA/Planck collaboration）

星际介质

05

（供稿：朱辉 中国科学院国家天文台）

星际介质，顾名思义就是介于恒星之间的物质。它主要由气体、尘埃和宇宙线组成，广义的定义还包括辐射场和磁场。星际介质广泛存在于宇宙空间，密度远小于空气（将空气的密度稀释10^21倍，就是星际介质的典型密度）。但是星际介质对于星系的重要性却不亚于空气对于地球的重要性。这是因为组成星系的基本单元—恒星就是在星际介质中孕育的。可以说星际介质在我们了解宇宙起源、天体起源和生命起源的过程中，占有至关重要的位置。正因为如此，星际介质的研究一直是天文学研究中的重要领域。射电天文学的发展史，几乎就是一部人们对星际介质的认识史。从第一张银河系射电天图的诞生到中性氢的发现，再到星际有机分子的发现，每一次射电望远镜观测技术指标的提升，都会带来人类对星际介质认识的重大突破。相对于现有射电望远镜，SKA无论是在灵敏度还是在分辨率上都有一个量级上的提高，因此期待它在星际介质研究中为我们带来新的惊喜。

图7: 英仙座分子云。黑色暗带表示分子云中的尘埃对背景星光的遮挡。可以看到其中孕育的恒星，以及明亮的发射线星云。

暂现源探测

06

（供稿：李菂 中国科学院国家天文台）

活动星系核和黑洞

07

（供稿：袁峰 上海天文台）

宇宙中几乎每个星系中心都存在一个超大黑洞，黑洞周围的气体在黑洞引力的作用下会往黑洞下落形成吸积盘，在此过程中会发出强烈的辐射和物质外流（包括喷流和风）。这样的星系核因此被称为“活动星系核”。这些辐射和物质外流在星系中能够传播得很远，并与星系中的星际气体发生相互作用，改变气体的温度、密度、分布等物理状态。气体物理状态的改变会影响恒星形成的快慢以及多少，因此影响整个星系的演化，这就是所谓的“活动星系核反馈”，目前被广泛认为可能是解决星系演化研究中遇到的一系列疑难问题的关键，是目前天体物理研究中最前沿的课题之一。

图9: 活动星系核反馈示意图

中性氢星系动力学和演化

08

（供稿：孙晓晖 云南大学）

宇宙中不同层次的天体，如行星、恒星、星系和星系团，都有磁场。银河系中大约有上千亿颗恒星，在恒星之间充满了气体、尘埃还有磁场。磁场像粘在气体上一样，跟随着气体一起运动。气体一方面绕银河系中心旋转，另一方面随机运动，所以银河系的磁场像一个复杂的网络（如图6）。目前的观测发现银河系磁场非常弱，强度大约只有地球磁场的百万分之一，但是由于银河系体积非常大，所以磁场的能量非常大。这么大的能量使得磁场在银河系的演化过程中起重要作用。同时我们也想问磁场是从哪儿来的呢？又将如何演化呢？这些问题的解答需要依靠将来SKA的大规模偏振巡天观测。

（供稿：朱明 中国科学院国家天文台）

星系的形成和演化是本世纪最关键的天体物理课题之一。氢是宇宙最丰富的元素，中性氢（HI）是星系的基本组成成分，星系的形成是由中性氢云团在引力作用下塌缩而开始的，而星系演化的过程就是中性气体不断冷却变密形成分子气体进而塌缩形成恒星的过程。因此，研究宇宙中中性氢的含量和分布及其随时间的演化是我们了解星系成长的物理过程的主要手段。另一方面，中性氢遍布于整个星系，尤其是在星系外围，已经看不到星光的地方，还有大量中性氢气体。通过中性氢观测可以看到很多肉眼看不到的现象。中性氢分布极易受外力的影响，分析中性氢气体的运动规律可以揭示其背后控制气体运动的秘密。例如看到下图中旋涡星系的旋臂结构我们知道星系在旋转。但旋转得快的时候，如果没有足够的引力，气体应该被离心力甩出星系。可是观测却不是这样的。因此天文学家猜想星系中存在一些看不见的物质，提供了额外的引力，从而保证了星系中的中性氢气体不散开。这些看不见的物质就是“暗物质”。中性氢动力学的研究目的就是通过定量分析气体围绕星系转动的旋转曲线来揭示星系中的暗物质分布。此外，在星系团环境中通过中性氢观测可以探测到星系相互作用遗留下来的痕迹，揭示外部环境对星系演化的作用。

图10：旋涡星系M51，中性氢成图（深蓝色）叠加在光学图像（颜色偏白的部分是M51的光学图像，图中的白点是前景恒星） （图片来源：NRAO/AUI and Juan M. Uson, NRAO）

生命的摇篮

09

（供稿：张泳 中山大学）

人类从古至今都在不停思索生命的起源。自从彻底摒弃“地心说”后，人们越来越沮丧地发现我们的地球只是宇宙中一颗毫不起眼的天体，那么，宇宙中是否还存在能够孕育生命的地方呢？这些生命是否能够像人类一样进化出高级文明呢？我们究竟从何而来？对这些问题的拷问，在哲学、社会、宗教等领域有深刻的意义。在宇宙中简单的原子分子最终形成孕育生命形成的星球，太空环境中复杂有机分子最终形成生命，这个过程到中到底何种因素起着决定性作用，这是科学家希望利用新一代望远镜回答的问题。人类几千年的文明和宇宙演化时间相比只是一瞬间，近百年科技飞速发展催生的病毒和能源危机成为摧毁人类文明的潜在威胁。如果在茫茫宇宙中，我们能够接收到另一个高级文明发出的信号，这将给人类信心，能够如此文明一样战胜危机让地球文明长期持续下去。我们可能正处于摒弃生命科学的“地心说”的时代。

图11: 行星盘与地外文明（想象）

超高能宇宙射线低频探测

10

（供稿：黄滟 中国科学院国家天文台）

浩瀚的宇宙远没有看起来这般平静，各种天体的剧烈活动产生了大量的高能宇宙粒子，每时每刻，都有成千上万个来自宇宙深处的高能粒子和中微子轰击着地球，提供了天然的和零成本的高能粒子加速器。这些高能宇宙粒子和中微子作为极端宇宙的独特信使，承载重要的宇宙信息。

长期以来，人们研究高能宇宙射线都是借助于探测器手段（如LHAASO）。利用低频无线电手段探测高能宇宙射线是近年来随着数字化和计算机技术发展而应运而生的新手段，巨大地降低了造价，提高了灵敏度，具有广泛应用前景。

利用低频射电方法来探测高能宇宙射线被列为SKA的前瞻科学目标之一，SKA为此专门设立了“高能宇宙粒子”焦点工作组。SKA1-low 的高密集核心布设提供了探测高能宇宙射线产生的低频无线电辐射的绝佳机会。另外，利用SKA1-mid 的灵敏度优势，将会首次在月面上观测到高能宇宙中微子和高能宇宙射线与月面的作用。

图12: 低频射电方法探测高能宇宙射线和中微子示意图（图片来源：SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy, 2020, 6, 1）

结束语

目前中国SKA确立的十个科学研究方向与国际SKA1科学目标高度契合。然而，这种高度的契合一方面意味着我们选择的正确，但另一方面却意味着巨大的挑战：未来，我们将要在SKA的国际合作和竞争中求发展，生存环境将会变得更加具有挑战性，科学的第一发现将更需要雄厚的实力作保障。在此复杂背景下，我们将迎接SKA带来的机遇和挑战，不负重托，努力开拓前沿科学领域，追求卓越科学目标，力争取得丰硕的科学回报，在探知神秘宇宙中创造奇迹和辉煌！

THE END

文章来源：中国科学院上海天文台微信公众号