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中国 SKA 科学报告 精选

已有 5322 次阅读 2020-1-19 08:56 |系统分类:论文交流

国际大科学工程 —— 平方公里阵列 (Square Kilometre Array, SKA )是由全球超过 10 个国家合资建造的世界最大综合孔径射电望远镜阵列,台址位于澳大利亚、南非及南部非洲 8个国家的无线电宁静区域,由分布在 3 000km 范围内的约 2 500 面 15m 口径碟形天线(高频)、 250km 范围内的 250 个直径约 60m 的致密孔径阵列(中频)以及 130 万个对数周期天线组成的稀疏孔径阵列(低频)组成,其等效接收面积达平方公里级,频率覆盖范围为50MHz~20GHz 。SKA 建成后将比目前最大的射电望远镜阵列 JVLA 的灵敏度提高约 50 倍,巡天速度提高约 10 000 倍。


在宏伟科学目标的驱动下即将实施的SKA是人类有史以来建造的最大射电天文望远镜,将开辟人类认识宇宙的又一新纪元。SKA集传统射电天文干涉技术和现代相控雷达技术为一体,体现诸多当代科学技术的最新和最高成就。SKA将把信息、通信和技术(简称ICT)运用至极值,并推动全球制造、通信、计算、能源等一系列产业的迅速发展。SKA将由世界诸多国家科学与技术人员共同参与和协作建造、共同运行和管理维护,将是超越国界的全球大科学装置,是人类在 21 世纪创造的又一个奇迹。


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图 SKA 运行框架(来源:SKAO )


SKA 作为下一代的射电望远镜,将以巨大的接收面积获得极高的灵敏度,将以千公里的基线获得极高的空间分辨率,将以纳秒级的采样获得精细的时间结构,将以 10Pbit·s-1的速率产生超越全球互联网总量的数据。大视场、多波束、高动态、高分辨、大数据等一系列新概念催生的SKA,将颠覆射电天文学的传统研究手段,给天文学研究带来革命性的理念。

 

大科学装置孕育重大的科学发现。SKA将揭示宇宙中诞生的第一代天体,重现宇宙从黑暗走向光明的历史进程;SKA将以宇宙中最丰富的元素氢为信使,绘制最大的宇宙三维结构图;SKA将检验暗物质和暗能量的基本属性,有助于驱散笼罩在 21 世纪自然科学上空的两朵乌云;SKA将发现银河系几乎所有的脉冲星,并有望发现第一个黑洞 – 脉冲星对,对引力理论做精确的检验;SKA将对数百颗毫秒脉冲星精准测时,发现来自超大质量黑洞的引力波;SKA将重建宇宙磁场的结构,探知宇宙磁场的源头;SKA将揭开原始生命的摇篮,并寻找茫茫宇宙深处的知音;SKA也将探知未知的宇宙,带来全新的发现。其中任何一个问题的突破,都将带来自然科学的重大革命。

 

作为SKA大家庭的一员,中国SKA科学团队将在秉承国际合作开展大科学研究的前提下,努力开拓前沿科学领域,追求卓越科学目标。经广泛征询、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:在 SKA1 实施阶段,确保两个优先突破领域和若干具有特色的研究方向 —— 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,我们需要在国际合作和竞争的复杂背景下,精心组织,集中优势,确保中国SKA的科学收益和利益最大化。

 

优先突破领域之一:中国SKA科学团队将继承十多年从事低频射电探索 “ 宇宙第一缕曙光 ” 的经验,利用 SKA1 低频射电阵列 1 000h 的定点观测数据,直接抓捕宇宙第一代天体再电离的身影,再现宇宙的黎明。中国SKA科学团队同时参加大天区的低频巡天,汇聚来自宇宙早期的微弱中性氢信号,从统计上揭示宇宙再电离时期的宇宙整体结构特性。

 

优先突破领域之二:中国SKA科学团队将积极参与脉冲星的搜寻,并致力于发现毫秒脉冲星、脉冲星 – 脉冲星系统、脉冲星 – 黑洞系统等具有特别重要科学价值的事例以用于检验引力理论。中国SKA科学团队将长期参加并力图主导脉冲星阵列的测时工作,逐步成为发现超大质量黑洞并合引力波辐射的主要贡献者。

 

若干具有特色的研究方向:① 中国SKA科学团队将充分利用SKA极高灵敏度和大面积巡天的优势,开展中性氢 21cm 宇宙学研究,揭示从黑洞、星系动力学直至宇宙大尺度结构的性质,检验暗物质和暗能量的特性;② 中国SKA科学团队将利用SKA快速巡天和极高时间分辨率的优势,探究暂现源(如快速射电暴、伽马暴、引力波源、黑洞)的物理本质,揭示宇宙极端天体的秘密;③ 中国SKA科学团队将绘制从星云到宇宙大尺度的磁场结构,追溯宇宙各层次的磁场起源。

 

围绕核心科学目标的实施,中国SKA科学团队的研究内容将由十一个科学研究方向构成。由中国科学院牵头,联合高校和各研究院所,在多年建设和运行SKA探路者设备积淀的基础上,广泛开展深入和实质性的国际合作,特别是与 SKA1 两个台址国(澳大利亚和南非)和各SKA探路者联合体建立伙伴关系,在 SKA1 全部建成之前的五年里,打下坚实的合作基础并掌握数据处理的关键技术。中国SKA科学团队将致力于推动和建设SKA区域中心,使中国成为未来SKA的国际重要科学研究中心。

 

SKA 是迄今国际天文学领域建造的最庞大和最先进的设备,将承载射电天文学未来50 年的发展命脉,推动国际 ICT 的迅猛发展,产生多项重大原创科学发现,促进大科学研究的国际化进程。作为SKA主要成员国之一的中国,将以大国的风范和责任,以及对卓越科学目标势在必得的追求,在其中发挥越来越重要的主导作用,获得丰厚的科学回报。参加SKA是中国天文学发展的里程碑和长远的全球布局,中国SKA科学团队肩负时代重任,将迎难而上,不负使命,迎接挑战,在探索未知和神秘宇宙中创造奇迹和辉煌!


本文摘编自武向平主编中国SKA 科学报告一书前言及第一章部分,内容有删节,标题为编辑所加。

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《中国 SKA 科学报告》

武向平 主编

北京:科学出版社, 2019.11

ISBN 978-7-03-062979-1

责任编辑: 刘凤娟

内容简介


国际大科学工程——平方公里阵列(Square Kilometre Array, SKA)是人类有史以来建造的最大射电天文望远镜,将开辟人类认识宇宙的又一新纪元。SKA集传统射电天文干涉技术和现代相控雷达技术为一体,体现诸多当代科学技术的最新和最高成就。SKA将由世界诸多国家科学与技术人员共同参与和协作建造、共同运行和管理维护,是超越国界的全球大科学装置,是人类在 21 世纪创造的又一个奇迹。作为中国的SKA科学报告,本书首先介绍了SKA的科学目标、技术指标和管理模式,随后介绍了中国参与SKA的背景、现状和必要性,最后重点阐述了中国SKA科学目标、突破方向、实施方案和技术路线。


本书可供专业天体物理学工作者和工程技术人员参考,也可作为青年学生和管理人员了解国际和国内SKA情况的入门资料。



目录


前言
第1章 SKA及其科学目标 1
1.1 SKA概况 1
1.2 SKA主要科学目标 2
1.3 SKA主要技术设计指标 5
1.4 国际SKA科学白皮书简介 12
第2章 中国参与SKA科学研究基础 19
2.1 中国射电天文学历史回顾 19
2.2 中国单口径射电望远镜 20
2.2.1 佘山25m射电望远镜 20
2.2.2 青海德令哈13.7m毫米波望远镜 21
2.2.3 新疆天文台南山25m射电望远镜 21
2.2.4 北京密云50m口径和云南昆明 40m口径射电望远镜 22
2.2.5 天马望远镜(上海65m射电望远镜) 22
2.2.6 500m口径球面射电望远镜(FAST) 22
2.3 中国射电干涉阵列 23
2.3.1 国际大环境简述 23
2.3.2 未来发展规划 25
2.3.3 国内现状 25
2.4 中国SKA低频探路者:21CMA 28
2.4.1 科学背景 28
2.4.2 21CMA设备和台址 29
2.4.3 21CMA天线系统 30
2.4.4 21CMA信号接收系统 31
2.4.5 21CMA数据采集系统 32
2.4.6 技术难关和挑战 33
2.4.7 21CMA数据处理流程 34
2.4.8 展望 35
2.5 中国SKA中频探路者:天籁 35
2.5.1 科学目标 36
2.5.2 基本设计和实验现状 37
2.5.3 天籁发展计划与SKA 39
2.6 中国射电天文学研究队伍和方向 39
2.7 中国参加SKA的历史必然性 41
2.8 中国天文参与SKA的国际竞争力分析 41
2.9 中国射电天文设备发展战略 45
参考文献 45
第3章 中国SKA科学团队及目标 47
3.0 引言 47
3.1 研究方向一:宇宙黎明和再电离探测 49
3.1.0 研究队伍和课题概况 49
3.1.1 基础理论 50
3.1.2 数值模拟 53
3.1.3 低频观测设备 56
3.1.4 低频干涉阵列核心技术 65
3.1.5 数据处理 70
3.1.6 前景去除 74
3.1.7 前景大尺度弥散源 76
3.1.8 中国部署 81
参考文献 82
3.2 研究方向二:中性氢巡天和宇宙学研究 86
3.2.0 研究队伍和课题概况 86
3.2.1 巡天设计 87
3.2.2 数据处理 91
3.2.3 数值模拟 92
3.2.4 中性氧宇宙学 99
3.2.5 中性氧模型检验 108
3.2.6 连续谱观测 114
3.2.7 引力透镜 121
3.2.8 中国部署 127
参考文献 127
3.3 研究方向三:脉冲星搜寻 131
3.3.0 研究队伍和课题概况 131
3.3.1 引言 132
3.3.2 主要研究内容和意义 133
3.3.3 国内外研究现状和发展趋势 137
3.3.4 技术挑战和突破方向 140
3.3.5 预期目标 145
3.3.6 实施方案和国内部署 146
3.3.7 现有工作基础与分工 149
参考文献 150
3.4 研究方向四:脉冲星计时和引力检验 152
3.4.0 研究队伍和课题概况 152
3.4.1 利用SKA组建脉冲星测时阵列探测引力波 154
3.4.2 利用SKA观测脉冲星开展引力检验 159
3.4.3 利用SKA开展世界顶尖精度的脉冲星距离测量并提供对引力常数G的时间稳定性的严格约束 162
3.4.4 脉冲星时间标准观测研究 164
参考文献 166
3.5 研究方向五:宇宙磁场探索 168
3.5.0 概况 168
3.5.1 背景 169
3.5.2 宇宙磁场研究的理论基础 170
3.5.3 宇宙磁场的数值模拟研究 171
3.5.4 射电观测数据的RM合成与法拉第深度 173
3.5.5 脉泽源的塞曼分裂观测与磁场 175
3.5.6 银河系磁场与脉冲星偏振观测 179
3.5.7 邻近星系的磁场 183
3.5.8 星系团磁场的探测 184
3.5.9 邻近宇宙尺度的磁场探测 185
3.5.10 宇宙磁场研究的中国策略和天线偏振性能校准的核心技术 189
参考文献 190
3.6 研究方向六:星际介质物理 194
3.6.0 研究队伍和课题概况 194
3.6.1 引言 195
3.6.2 星际介质的三维结构 198
3.6.3 星际介质的多波段协同研究 200
3.6.4 数值模拟 204
3.6.5 综合孔径技术 206
3.6.6 虚拟观测及应用 209
3.6.7 吸收线成像技术 212
3.6.8 大数据处理及特定天体识别 213
3.6.9 中国部署 214
参考文献 214
3.7 研究方向七:暂现源的科学探测 217
3.7.0 研究队伍和课题概况 217
3.7.1 暂现源科学概述 219
3.7.2 暂现源连续科学和核心技术 221
3.7.3 暂现源谱线科学和核心技术 229
3.7.4 脉冲星暂现源科学和核心技术 233
3.7.5 暂现源成像科学和核心技术 237
3.7.6 暂现源科学和中国观测设备 241
3.7.7 中国部署 245
参考文献 246
3.8 研究方向八:AGN和黒洞 249
3.8.0 研究队伍和课题概况 249
3.8.1 AGN喷流的SKA 1观测研究 251
3.8.2 高红移AGN的搜寻 255
3.8.3 低光度AGN的风 260
3.8.4 射电噪AGN的演化 263
3.8.5 银河系与近邻星系中的“费米气泡” 268
3.8.6 黑洞双星的态跃迁、间歇性喷流的研究 272
3.8.7 超大质量双黑洞的搜寻和认证 275
3.8.8 超亮X射线源和中等质量黑洞 277
3.8.9 冷气体观测和AGN对寄主星系反馈的研究 281
参考文献 285
3.9 研究方向九:HI星系动力学和星系演化 291
3.9.0 研究队伍和课题概况 291
3.9.1 引言 292
3.9.2 星系形成和演化的基本理论及SKA观测研究的科学问题 293
3.9.3 我国SKA团队的重点突破方向与观测研究课题 307
3.9.4 中国部署 320
参考文献 321
3.10 研究方向十:生命的摇篮 325
3.10.0 研究队伍和课题概况 325
3.10.1 引言 326
3.10.2 原行星盘中厘米尺度尘埃的射电观测 326
3.10.3 星际有机分子的谱线搜寻 328
3.10.4 射电探测地外行星及褐矮星 333
3.10.5 地外文明的搜寻 336
3.10.6 部署 337
参考文献 337
3.11 研究方向十一:超高能宇宙射线和中微子的探测 338
3.11.0 研究队伍和课题概况 338
3.11.1 科学背景 339
3.11.2 射电探测方法和国际现状 340
3.11.3 SKA的突破方向 342
3.11.4 我国的研究基础 344
参考文献 345
第4章 中国SKA科学队伍和配套设施建设 347
4.1 基本原则 347
4.2 国际化的中国SKA人才培养平台建设 348
4.3 国际合作项目和计划 349
4.3.1 MWA和LOFAR 349
4.3.2 ASKAP 351
4.3.3 MeerKAT 352
4.4 国内配套系统建设 355
4.5 中国SKA科学队伍组织原则和结构 357
参考文献 359
第5章 SKA区域中心建设 360
5.1 概要 360
5.2 背景 360
5.3 需求分析 362
5.4 建设意义 363
5.5 建设内容 364
5.5.1 数据中心运维团队 365
5.5.2 天文软件研发发团队 370
5.5.3 先进技术研发团队 372
5.6 实施条件 375
5.7 建设计划 377
5.8 组织管理模式 377
5.9 开放共享政策 378
5.10 科学经济社会效益分析 379
参考文献 380
致辞 381

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(本期编辑:王芳)


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2 黄永义 文克玲

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