摘要：平方公里阵(Square Kilometre Array, SKA)是即将建造的世界最大综合孔径射电望远镜. 自1993年SKA国际合作启动以来, 包括中国在内20个国家逾100家机构科技人员参与其中. SKA现处于建设准备阶段, 中国参与了10个国际工作包联盟中的6个. 开展反射面天线、孔径阵列技术、宽带单波束馈源、相位阵馈源、信号与数据传输、科学数据处理等SKA关键技术设计及试验. 2015年发布的新版《国际SKA科学白皮书》中, 中国学者总计参与了其中20%的章节. SKA基线重订后, 20余位国内天文学家参与了13个科学目标工作组的11个. 确立了我国SKA科学目标“2+1”战略, 并在宇宙再电离探测及SKA核心数据处理方法等方面取得重要进展. 2015年6月, 中国参与SKA第一阶段建设的建议通过了中国科学院学部咨询评议. SKA被列入十三五规划. 持续探索有限科学目标、致力于高精度轻型天线设计与工艺等技术研究, 建造自己的望远镜阵列, 打造SKA区域数据中心, 将提升我国天文和相关技术水平, 实现国际大科学工程中的“中国创造”. 本文简述了SKA历史脉络, 综述了SKA建设准备阶段国内外主要进展, 探讨了中国SKA未来计划. 通过对SKA关键科学技术问题进行研究, 自主研制了中国SKA验证天线DVA-C系统, 成功观测到银河系中性氢和若干脉冲星.

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国际大科学工程——平方公里阵(Square Kilometre Array, SKA)是由全球超过10个国家计划建造的、世界最大的综合孔径射电望远镜, 以实现平方公里量级接收面积, 相当于140个足球场大小. SKA将建在澳大利亚、南非及非洲南部8个国家的无线电宁静区域, 分布在3000 km范围, 频率覆盖50 MHz–20 GHz. 目前, SKA处于建设准备阶段(2012–2018)后期, 由SKA独立法人机构SKAO (SKA Organisation)领导, 包括英国、澳大利亚、南非、中国、荷兰、意大利、新西兰、加拿大、瑞典和印度10个正式成员国. SKA建造费估计需80亿欧元, 由多国政府及国家研究机构联合筹资, 将分两个阶段建设: 第一阶段SKA1建设约10%的SKA, 计划2018年底启动; 第二阶段SKA2建设其余部分SKA, 将在2025年启动.

自1993年国际合作启动, SKA历经20多年发展, 在工程概念发展、望远镜选址、科学目标凝练及关键技术研发过程中, 演变成为多国合作的国际大科学工程计划. SKA将为人类认知宇宙提供重大机遇, 也需要付出和当年哈勃太空计划、大型强子对撞机等那样的巨大努力.

技术路线与阵列特点

在SKA早期阶段, 主要有两大技术路线: 大口径小数目天线(Large Diameter Small Number, LDSN)、大数目小口径天线(Large Number Small Diameter, LNSD)组阵, 并形成5种可能的工程概念, 分别为: 中国的KARST (Kilometre Square Area Radio Synthesis Telescope), 加拿大的LAR (Large Adaptive Reflector), 美国的ATA (Allen Telescope Array), 荷兰的AAT (Aperture Array Tile)和澳大利亚的LL (Luneburg Lens Antenna). KARST和LAR属于LDSN技术路线, ATA和LL为LNSD技术路线, AAT根据波束形成策略, 两种技术路线均可.KARST概念的先导单元, 即500 m口径球面射电望远镜FAST(Five-hundred-meter Aperture Spherical Radio Telescope), 已于2016年9月竣工, 成为世界上最大单口径射电望远镜, 可独立于SKA开展射电天文观测, 包括脉冲星、中性氢等领域. FAST与SKA在核心科学目标上有高度一致性.

目前SKA采用的是LNSD路线, 计划由3种型式天线阵列组成, 如图1所示: 2500面15 m口径反射面天线(Dish)构成综合孔径阵列, 覆盖频率300 MHz–20 GHz, 基线长度3500 km; 每个天线配备5个单波束馈源SPF (Single Pixel Feeds). 进行宽带单波束馈源(Wide Band Single Pixel Feeds, WBSPF)和相位阵馈源 (Phased Array Feeds, PAF)等前沿技术预研. 在50–350 MHz频率范围, 63万个对数周期天线单元组成5000个直径约35 m的稀疏低频孔径阵列(Low-Frequency Aperture Array, LFAA), 每个子阵由256个天线单元组成, 基线长度200 km. 在400 MHz–1.45 GHz频率范围, 由250个直径约60 m的站组成中频孔径阵列(Mid-Frequency Aperture Array, MFAA), 基线长度约180 km (待定), 形成超大视场的观测能力.

图1 SKA 阵列示意图. (a) 反射面天线阵; (b) 低频孔径阵列; (c) 中频孔径阵列(图片来源: SKA官网https://www.skatelescope.org)

SKA第一阶段SKA1, 将建设133面反射面天线, 并整合南非SKA探路者MeerKAT 64面天线, 组成反射面天线阵SKA1_Mid; 并建设13万个对数周期天线, 组成低频孔径阵列SKA1_Low; 以3个旋臂状分别分布在南非和澳大利亚. SKA第二阶段SKA2, 将建设2500面反射面天线和50万个对数周期天线, 扩展成5个旋臂状的分布.

相位阵馈源PAF、宽带单波束馈源WBSPF和中频孔径阵列MFAA, 现属于SKA先进仪器项目(Advanced Instrumentation Programme, AIP), 在SKA1阶段进行技术攻关, 旨在获得与传统技术相匹敌的性能. 为降低SKA整体造价、提升运行和维护可靠性等提供优化方案, 这些技术将可能应用于SKA2.

基于上述性能指标, SKA具有4大技术特点, 处于国际领先. (1) 超大接收面积: SKA接收面积约1 km^2, 比目前最灵敏射电望远镜阵JVLA (Jansky Very Large Array)和LOFAR (Low Frequency Array)高50倍. 将极大提升望远镜探测能力. 射电望远镜灵敏度随时间发展曲线如图2所示, 纵坐标反映各个望远镜灵敏度与平均灵敏度的比值(对数形式). SKA的灵敏度是现有及在建射电望远镜难以企及的. (2) 超大视场: SKA低频孔径阵列在110 MHz时, 视场达到20平方度, SKA1_Low的巡天速度是LOFAR的135倍. 中频孔径阵列的超大视场, 可对百万量级的星系进行搜寻, 有利于理解星系形成和演化, 以及暗能量的本质. (3) 超宽频率范围: SKA低频孔径阵覆盖了频段50–350 MHz, 反射面天线阵频段为350 MHz–20 GHz, 具备在多频段同时进行检测和成像的能力; (4) 超高分辨率: 百公里低频基线和千公里高频基线阵列分布, 使SKA具有对致密天体的精细结构进行成像的能力, 拥有毫角秒分辨天体本领.

图2 射电望远镜灵敏度随时间发展曲线

SKA核心科学目标

SKA将致力于回答宇宙最基本的重大科学问题, 特别是关于第一代天体如何形成、星系形成与演化、暗能量性质、宇宙磁场、引力本质、生命分子与地外文明等. 经过20多年来的凝练, 在起源和宇宙间基本力两大方面形成了SKA五大科学目标, 进而分为16个方向, 具体如下. (1) 起源方面. 目标一: 宇宙黑暗时期探测(中性氢探测、第一代重元素的探测、第一代超大质量黑洞的研究); 目标二: 星系演化、宇宙学与暗能量研究(暗能量、星系演化、宇宙大尺度结构); 目标三: 孕育生命的摇篮(原行星盘成像、原始生命分子、搜寻地外生命). (2) 宇宙间基本力方面. 目标四: 用脉冲星和黑洞进行引力强场检验 (利用脉冲星进行引力波探测、黑洞旋转的测量、引力理论研究); 目标五: 宇宙磁场的起源和演化(银河系磁场、超新星遗迹及星系团中的磁场、星系际空间磁场、宇宙尺度的磁场演化).

中国参与未来SKA工作探讨

2015年6月, 中国参与SKA第一阶段(SKA1)建设通过了中国科学院学部咨询评议, 院士专家组一致认为“SKA是由科学目标驱动的下一代厘米到米波波段最先进的射电望远镜, 是我国天文学科发展的难得机遇, 我国应把握这个机会, 积极参与”.

仅靠点对点国际合作机会难以覆盖全面和深入的射电天文技术. 结合我国射电天文的现有基础, 并借射电天文强国的经验, 建造自己的射电天文干涉阵是提高我国射电天文技术实力和培养射电科学研究人才的直接和有效途径. 既与我国技术实力相匹配, 又符合射电天文自身发展的需求. 我们提出, 建设中国SKA反射面天线阵CDA (China Dish Array). CDA由约50面15 m口径SKA反射面天线组阵. 采用对数螺旋线分布在半径约90 km范围内, 最长基线达160 km, 该基线长度与SKA1_Mid相当, 等效口径达105 m. 其中核心阵由35面天线组成, 分布在半径约9 km范围内, 其最长基线可达15 km, 核心阵总接收面积相当于90 m单口径天线.

CDA反射面天线将采用SKA天线最终样机SKA-P方案, 覆盖0.35–24 GHz频段, 配置先进的制冷宽带单波束馈源和相位阵馈源, 形成中国最大、超宽频带、快速巡天能力的综合孔径望远镜. WBSPF覆盖4个倍频程以上频率范围, 大大减少馈源和接收机数目, 降低成本、便于维护. PAF将进一步扩大视场. 后端采用高数据容量的中央处理器, 基于FPGA与GPU (Graphics Processing Unit)进行数字信号处理, 包括相关与波束形成、脉冲星搜索、脉冲星计时与VLBI等, 并将建立CDA区域与联合数据中心, 用于科学数据处理.

CDA可以作为科学研究、技术研发与验证, 以及人才培养的综合平台. CDA关键科学技术研究将涵盖SKA科学目标的优先发展方向、SKA关键技术和先进仪器项目. 建设总经费约13亿元人民币, 建设周期6年.

作为科学研究平台, CDA的独特优势将使其在脉冲星搜寻和计时观测及多谱线观测等方面做出重要贡献. CDA对点源观测能力和100 m单口径射电望远镜相当, 且具备超宽频带观测和大视场快速巡天能力. CDA将和FAST形成优势互补. CDA的大视场, 易于快速巡天, 通过快速搜寻发现脉冲星; 可以在第一时间用FAST进行高灵敏度跟踪观测. 反之, 针对FAST的新发现, 可用CDA进行快速证认、精确定位, 甚至高分辨率成图等. CDA的宽带接收能力, 可同时进行多谱线观测, 提高频谱观测效率. CDA的主要关键技术涉及中国参与的全部6个工作包, 包括反射面天线、WBSPF和PAF、中央信号处理、光纤时频同步系统和科学数据处理等. CDA将提供关键技术研发和验证平台. CDA还将弥补单纯通过国际合作培养人才的不足, 让更广泛的青年学者及学生参与CDA建设, 为科研人员提供实战训练平台, 成为我国科学团队参与SKA合作与竞争的重要跳板.

CDA的建设还将推动我国天线设计与制造工艺技术、宽带大视场接收机技术、信号与数据传输、中央信号处理、科学数据处理技术的发展, 形成一批自主知识产权, 提升我国企业技术创新能力和参与国际高技术竞争能力. CDA的研究成果, 也将在国内其他大型射电望远镜研制和军民融合领域中得到广泛应用, 如多波束卫星通信、多波束/宽带卫星侦收和微波侦收、深空探测等.

综上所述, CDA将帮助中国实现拥有世界级、超宽频带、具有快速巡天能力的综合孔径望远镜的梦想, 将成为以脉冲星搜寻和脉冲星计时及中性氢探测等相关科学观测为主的科研平台、射电天文技术的研发平台、促进人才培养和军民共融的发展平台.

总结

自1993年至今, 中国全程参与了SKA科学目标探讨、关键技术研发及相关路线图全球协调与合作, 见证了SKA 24年所有阶段发展历程. 中国持续参加SKA建设准备阶段的可行性已通过天文界和科技界大型专家会咨询与论证. 科技部已协调财政部、国家自然科学基金委和中国科学院给予了联合支持. 2015年6月, 科技部委托中国科学院学部对中国参与SKA第一阶段建设进行了咨询评议. 在“十三五”国家科技创新规划的国际大科学计划和大科学工程专栏中, SKA被列入其中, 中国将持续深入参与SKA计划的政府间正式谈判、国际工作包研发, 并在国内部署开展科学预研, 推动设立SKA1专项.

中国参与SKA建设准备阶段科学目标和关键技术研究, 已取得重大进展. 2015年7月, 在新版《国际SKA科学白皮书》131个章节中, 中国学者参与了27个, 其中第一作者有7个. 2015年11月, 中国主导的SKA反射面天线已被SKA天线工作包和国际SKA组织遴选为唯一设计方案. 2016年, 中国(清华大学)时频同步方案在信号和数据传输工作包中名列第一.

基于SKA早期科学目标预研究、高性能轻型天线结构设计与工艺研究、宽频带大视场接收机技术研究、孔径阵列技术、高精度时频同步信号传输、科学数据处理等关键技术研究的阶段性成果, 建造国内SKA反射面天线原型阵, 建立区域数据处理中心, 针对性地开展射电天文前沿科学和高技术研究. 通过产学研结合, 持续参与SKA国际合作, 将跨越式提升我国天文、技术、工程和制造业水平, 实现国际重大科学工程“中国创造”里程碑.

详情见：彭勃, 柴晓明, 秦波, 等. 中国科学: 物理学 力学 天文学,47(12), 129501(2017)

http://engine.scichina.com/doi/10.1360/SSPMA2017-00014

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