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“幽灵”和“怪兽”飞舞的宇宙:平方公里阵列(SKA)|观天神器 12(附多张珍贵图片)

“幽灵”和“怪兽”飞舞的宇宙:平方公里阵列(SKA)|观天神器 12(附多张珍贵图片)

科学

作为 SKA 项目的发起国和科研中坚力量,中国 SKA 团队正在你我的见证下,亲手开启一个天文学的新时代。

作者:董轶强、石依灵

2019 年 9 月的一个深夜[1][2],天文学家安娜·卡嫔斯卡[3]坐在电脑前,快速浏览着由阵列射电望远镜拍到的巡天图像。在射电望远镜的照片中找到一些不寻常的东西,是安娜的日常工作之一。她需要把那些有价值的照片挑选出来,在例会上展示给大家讨论。

安娜很喜欢在夜深人静的时候做这项工作,因为只有在这个时间浏览这些来自深空的照片,才会有那种仰望星空的感觉。


突然,安娜握着鼠标的手停了下来。她把脸凑近电脑屏幕,瞳孔骤然扩张。屏幕上的照片中央,有一个巨大的、幽灵般的蓝绿色怪脸。怪脸的边缘有些模糊不清,但上面黑色的部分,就像是一双眼睛,紧紧地盯着屏幕外面的安娜。

图:原始数据(来源:宇宙进化图项目EMU)


图:根据原始数据还原出的图像(来源:南非射电天文台SARAO)


“这是什么鬼?超新星的遗迹吗?”安娜犹豫地思索着。


安娜的习惯,是把自己对不寻常天体的判断标注在照片的备注中。但此时的安娜犹豫了,超新星遗迹一般离银河系中大多数恒星都很远,而眼前这个蓝绿色的怪脸中,与大量银河系中的恒星相重合,应该不是超新星[4]


“难道,这个怪东西不在银河系内部?”安娜放下鼠标,单手托腮,凝视着怪脸空洞的巨眼,就好像怪脸能亲自给出答案。


“看来,这个怪东西要成为明天工作会议上的主角了。”安娜自言自语说。她不习惯把照片说明留空,于是就直接把“这是什么鬼(What The F**K[5])写进了照片说明当中。”


果然,这张被标记了“这是什么鬼”的照片成了第二天工作会议上大家热议的对象。会场上一片骚动,天文学家们纷纷各抒己见,大开脑洞提出了对这张怪脸的种种猜想,但紧随其后的分析又迅速否定了这些大胆地猜想。


会后,科学家找来了由可见光望远镜在同一个区域拍摄的深空照片,他们想看看这个蓝绿色怪脸的位置,到底隐藏着什么东西。但是,在对应的可见光照片里,那张怪脸竟然完全消失不见,就像它从来没有出现过一样。


这张蓝绿色的“怪脸”到底是什么东西?安娜和她的同事又会从怪脸中获得怎样的发现呢?想知道这些,咱们得从一个国际大科学工程——平方公里阵列望远镜的建造计划开始说起。


射电天文望远镜


在天文学研究的过程中,光学望远镜和射电望远镜一直在进行着激烈的角逐。自伽利略在 1609 年发明了第一台天文望远镜以来,光学望远镜一直是太空观测的主流工具。而射电天文的概念是直到 1931 年才出现的,比光学望远镜晚了 322 年[6]


图:1609年伽利略发明的望远镜

(来源:英国科学博物馆集团机构 sciencemuseumgroup.org.uk)



左图:1932年卡尔·央斯基(Karl Jansky)建造了第一台从太空探测无线电波的仪器(来源:美国国家射电天文台NRAO)


右图:1937年格罗特·雷伯(Grote Rober)建造的第一台碟形射电望远镜的复刻版(来源:

但是,射电天文学来势汹汹,很快就后来者居上。上世纪 60 年代,脉冲星、类星体、宇宙微波背景辐射和星际有机分子的发现,被称为二十世纪射电天文学四大发现,这些发现极大地拓宽了人类对宇宙的认知。


在上个世纪 90 年代,早期兴建的射电天文望远镜正随着设备老化而纷纷关闭,让射电天文学研究一时陷入了低迷。但在光学望远镜领域,1990 年哈勃太空望远镜发射升空,口径巨大的凯克望远镜、昴星团望远镜以及欧南台的甚大望远镜相继建成,这些超级设备,直接把天文学研究带进了长达十多年的黄金时代。


不过,射电天文学研究可没有就此沉沦,随着计算机技术的快速发展,科学家们意识到,一直高度依赖于计算和后期数据处理的射电天线阵列方案开始变得越来越可行。以欧洲和英联邦国家为首的国际联盟,敏锐地捕捉到了这个能让射电天文学弯道超车的绝佳时机。


单口径射电望远镜的优点,是收集信号的能力强,信号的信噪比也比较高。单口径射电望远镜造得越大,就越能收集到那些来自深空的极微弱信号。但是,单口径望远镜的缺点也非常明显,就是在当前的工程水平下,射电望远镜的尺寸只要增大一点点,就会面临巨大的工程学难题。可以自由转动的单口径射电望远镜,基本上不可能突破 100 米这个尺寸极限。想要突破这个极限,就必须依山就势地把望远镜建在地面上。阿雷西博望远镜和我国的天眼,就是这种结构。


比起单口径望远镜,阵列射电望远镜的优势就特别明显了,它们以多取胜,不需要把每一个天线造得很大,还能通过干涉测量技术随意改变望远镜的空间分辨率。可以这么说,如果不考虑数据传输、计算和后期数据处理的难度,阵列射电望远镜就是越多越好,越大越好。我们甚至可以把射电望远镜发射到地球轨道上去,打造一个口径达到 2 个天文单位的虚拟望远镜。


当然,在地球轨道上建设望远镜的技术难度实在是太高了,不过在地球上建立一个超级望远镜阵列还是可行的。


SKA项目

1993 年,在日本京都举行的国际射电科学联盟大会上,包括英国、中国、澳大利亚、意大利等 10 个国家的天文学家联合提议:要筹划建造一个世界顶级的巨型射电望远镜阵列[7]。建成之后,这台射电望远镜的总接收面积将达到 1 平方公里。所以这个计划就被命名为「平方公里列阵[8]射电望远镜」,缩写就是 SKA。这也将成为人类历史上最大的天文观测设备


建成后的 SKA 是什么概念呢?对比目前世界上最大的射电望远镜,它的灵敏度会提高 50 倍、巡天速度提高约 10000 倍,而且,还要能实现 0.1-30GHz 的宽波段覆盖[9]。由于它会以纳秒级的采样精度工作,所以它每秒钟将会产生 10Pb 的数据量。10Pb 是什么概念?普通的移动硬盘一般容量 1T,那就需要 1 万多个这样的移动硬盘才装得下,记住,这只是 1 秒钟的数据量。



南非的SKA射电望远镜阵列规划图


左下:南非的中频孔径阵列规划图


澳大利亚SKA射电望远镜阵列规划图


右下:澳大利亚低频孔径阵列规划图


来源:SKA UK(unitedkingdom-old-site.skatelescope.org)

在《中国 SKA 科学报告》中是这样介绍 SKA 项目的:

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,并寻找茫茫字宙深处的知音;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。

平方公里阵列望远镜是从未有人尝试过的超级工程,为了稳妥起见,科学家们决定在目标选址建立一系列探路工程,作为 SKA 的验证性前置项目。

第一个 SKA 的探路工程,是由我国主导的 21CMA 项目。由于这个项目的目标是通过数字方式获取低频波段的宇宙图像,所以人们亲切地称之为“宇宙的第一缕曙光”


2003 年 8 月,一批工程技术人员在新疆南北天山之间的乌拉斯台基地搭建了几顶简易帐篷,世界上第一个专门探测宇宙低频信号的大型相控望远镜阵列开始破土动工了。


建成之后的 21CMA,是由 10287 个天线组成的南北宽 4 公里,东西长 6 公里的天线阵列。作为 SKA 项目的探路者,21CMA 与传统阵列天线最大的不同,就是实现了完全的数字化。每一个天线单元都不需要转动,它们收集的无线电信号经过计算机处理后,就能同时监控多个目标。


图:我国21CMA构想图(来源:中科院国家天文台)


21CMA 的工作原理,与 SKA 将会建造的低频阵列天线完全相同,21CMA 也会将它的成功,复制到 SKA 项目身上。


2009 年 12 月,第二个 SKA 的探路者项目在一片期待声中动工了。项目选址在人烟稀少的西澳大利亚默奇森郡沙漠区。名称就叫做澳大利亚平方公里阵列探路者,简称 ASKAP。为了让这个项目拥有最佳的电离层条件,澳大利亚政府不仅投资了超过 3 亿美元用于设施建设,还专门成立了一个通信和媒体管理局,专门用于保护默奇森“无线电静区”[10]


ASKAP 是一个由 36 个口径为 12 米的碟形天线组成,最大间距为 6 公里,总信号接收面积约等于 4000 平方米的射电望远镜阵列。


图:澳大利亚ASKAP望远镜(来源:澳大利亚联邦科学与工业研究组织CSIRO)

从这些参数上可以看出,无论天线的尺寸还是数量,ASKAP 都并不出众。能让它成为平方公里阵列望远镜前导项目的,还是它领先的设计。


科学家们想到一个增加射电望远镜视场的办法,就是在现有的反射镜望远镜的焦平面上放置多个辐射器——也叫做馈源,组成焦平面阵列,即多波束技术。相比传统的单波束,多波束技术就等于你撑开了很多把伞进行观测。这种技术不断更新迭代,升级为波束合成技术,能够对焦平面进行完全采样,提供连续大视场,这就是极为关键的“相控阵馈源”技术[11]


自 2006 年澳大利亚正式提出后,2012 年,第一版相控阵馈源样机率先安装在 ASKAP 现场,每个馈源都包含 188 个独立的接收元件,成功实现约 30 平方度的瞬时视场,比传统接收器大接近 30 倍,极大地提升了巡天效率,开启了相控阵馈源接收机在射电天文应用领域的新纪元[12]


图:澳大利亚ASKAP望远镜的馈源(来源:澳大利亚联邦科学与工业研究组织CSIRO)


视场的技术解决了,可随之而来他们又面临另一个问题,那就是数据处理。接收能力增大 30 倍,意味着数据量也会增加 30 倍。想要处理这些数据,需要的计算能力会达到每秒 5000 万亿次浮点运算,这几乎是“神威·太湖之光”超级计算机运算能力的 3 倍。


这是 SKA 探路项目首次面对计算能力的严峻考验。要知道 ASKAP 的规模只有 SKA 项目的 10%[13]。这是挑战,更是机遇。SKA 项目的超算专家,中国科学家安涛说:“SKA 处理数据的方式将颠覆传统模式,引发天文数据处理的重大变革。”


2012 年,名叫默奇森宽场阵列的无线电阵列望远镜在距离 ASKAP 不远的沙漠中修建完成。宽场阵列的意思,是它有大约 30 度角的超宽视场,能够一次性地覆盖非常大的一片天空。天文学家们可以用它来研究地球的电离层和太阳的日光层,还可以用它来绘制河外星系的光晕和遗迹图。


图:默奇森的鸟瞰图(来源:澳大利亚联邦科学与工业研究组织CSIRO)


2015 年,HERA 阵列望远镜在南非的卡鲁沙漠修建完成。HERA 是氢再电离时期阵列的缩写。在宇宙形成之初,到第一代恒星形成,中性的氢原子逐渐变成了等离子体,让宇宙中充满了光芒。HERA 的目标就是研究星际间的电离气体,揭示宇宙最初的奥秘。这个望远镜由 350 个直径 14 米的六角形固定天线组成,总共的信号接收面积达到了 54000 平方米,差不多与阿雷西博望远镜的面积相当。


图:HERA 望远镜阵列(来源:HERA协作项目 HEAR PARTNERSHIP)


2016 年,就在 HERA 阵列望远镜不远的沙漠里,平方公里阵列的又一个探路项目——卡鲁阵列望远镜修建完成。这个由 62 个 13.5 米天线组成的阵列望远镜,从建造之初就使用了完全数字化的接收机。接收机采集的数据经过原子钟同步后,直接通过光纤进入位于地下的超算中心进行处理。这也是最接近于平方公里阵列终极目标的前导项目。


图:卡鲁阵列望远镜先导KAT-7中的若干架(来源:南非射电天文台SARAO)


同样也是在 2016 年,中国的第二个 SKA 探路项目——天籁计划,完成了课题组验收,正式开始运行。天籁计划拥有两套不同形状的天线,一套天线是我们熟悉的碟形天线阵列,另外一套则是不太常见的柱形天线。天籁计划利用地球的自转完成对北半球天空的快速扫描。它可以把空间分成不同的波长,来实现对宇宙大尺度结构的扫描[14]


图:天籁实验阵列(来源:中科院国家天文台)


在主要技术难题一个一个被攻破之后,所有的前导项目都陆续进入了科学验证期[15]


尽管科学家们早就对 ASKAP 等代表下一代射电望远镜的设备寄予厚望,但他们还是收获了很多意外


比如,在前面的节目中,我们已经介绍过快速射电暴了。快速射电暴[16],虽然能量巨大,但目前已经观测到的大多数快速射电暴都是单次爆发的,所以,想要精准定位一次性的快速射电暴,是一件极为困难的事情。


2018 年 9 月 24 日,处于验证期的 ASKAP 通过一个杀手级别应用程序里的“实时回放”功能,捕获到了单次快速射电暴 FRB180924,随后联合凯克、南双子星以及老铁欧南台的甚大望远镜,精准定位了它的宿主星系。这一新发现发表在 2019 年 6 月的《科学》期刊上,并揭示了快速射电暴爆发过程中的电子列密度与星系际介质模型非常吻合,这将有助于解决更加神秘的“宇宙重子缺失之谜”[17]

为了专门对 ASKAP 进行测试,来自 20 个国家 208 个机构的 739 名天文学家,还专门设计了大型科学调查项目[18]——宇宙进化图。在咱们的开篇故事中,天文学家安娜·卡嫔斯卡从海量巡天照片中挑选有研究价值的图像,就是这项研究的例行工作。


事实证明,ASKAP 确实不负众望,拍到了很多其他望远镜没有拍到过的东西,那个深空中的蓝绿色“怪脸”就是其中之一。


几天之后,与安娜一起整理照片的另外一位天文学家埃米尔·伦克在查阅数据的时候,又找到了第二个类似的东西,研究人员把它们起名叫“奇怪的射电圈”。有意思的是,奇怪的射电圈这句话的英文缩写就是 ORC,意思是兽人或者妖魔,这个名字与这些天体表现在照片上的形象相当吻合。


这些奇怪的射电圈最有意思的地方,就是只有射电望远镜才能看到它们。在 X 射线望远镜、红外线望远镜和可见光望远镜中,这些怪圈就完全不会出现。直到今天为止,已经有 5 个不同的怪圈被发现,但遗憾的是,天文学家们仍然无法准确地解释它们的成因。


西悉尼大学的天体物理学家雷·诺里斯认为[19],这些怪圈是极其遥远的星系中超大质量黑洞合并后产生的冲击波。这些怪圈就像一个不断膨胀的气泡,不断激发这空间中的电子,产生微弱的无线电信号,从而被我们的望远镜观察到。诺里斯的证据是,现在发现的 5 个怪圈中,已经有三个的中心都发现了黑洞。也许,这些怪圈正是引力波留在空间中的痕迹。


后来,在卡鲁阵列望远镜落成之后,还专门重新为这些怪圈拍摄了更清晰的照片。但是,科学家们仍然没能对这些怪圈的形成达成统一的意见。


ASKAP 带给我们的惊喜远不止这些,得益于其高灵敏度、极宽视场和高效巡天能力,科学家们仍在不断迎来新的发现。


2020 年 12 月,ASKAP 用破纪录的 10 天时间绘制出横跨整个南部天空的 300 万个星系,其中的一百万个是前所未见的[20]

图:ASKAP 于 2020 年底用破纪录的 10 天时间绘制出横跨整个南部天空的 300 万个星系(来源:澳大利亚联邦科学与工业研究组织CSIRO)

随后,ASKAP 与德国 eROSITA 太空望远镜合作,观测到一条 5000 万光年的巨大丝状结构,给宇宙网模型理论提供了重要证据[21]


2021 年 8 月,ASKAP 又在深空之中,发现了两个牵着手的“跳舞的幽灵”,这又是一个天文学家们从未见过的景象,为此,也牵出了神秘的“星际风”问题[22]


图:2021年8月ASKAP观察到的“跳舞的幽灵”(来源:澳大利亚联邦科学与工业研究组织CSIRO)


除了刚刚提到的几个前导项目以外,大家已经熟悉的阿雷西博望远镜、美国甚大阵列望远镜、中国天眼望远镜等 17 个著名的射电望远镜,都为平方公里阵列项目做过验证性研究。所有的合作者,都无比期待着新一代望远镜的诞生。


我们曾经以为,更好的望远镜能带给我们的,不过就是更广阔的宇宙和更多的星星而已。但当平方公里阵列缓缓地睁开眼睛时,那个我们熟悉的天空,竟然变成了“幽灵”和“怪兽”飞舞的奇异世界。


这些新发现将把我们引向何处?现在还没有人能说得清。但这必然是一个从未知到已知,再到发现更多未知的美妙过程。作为 SKA 项目的发起国和科研中坚力量,中国 SKA 团队正在你我的见证下,亲手开启一个天文学的新时代。

信源

[1]https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2021PASA…38….3N/abstract  (第一篇论文)
[2]https://arxiv.org/pdf/2104.13055.pdf? (第二篇论文)
[3]Anna Kapinska,https://www.akapinska.com/
[4]https://spaceaustralia.com/feature/what-astronomers-find-new-odd-radio-circle-space 
[5]https://read01.com/zh-cn/NN2RLo0.html#.YjdAxdVBxhE
[6]https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%B0%84%E7%94%B5%E6%9C%9B%E8%BF%9C%E9%95%9C
[7]https://baike.baidu.com/item/%E5%B9%B3%E6%96%B9%E5%85%AC%E9%87%8C%E9%98%B5%E5%88%97%E5%B0%84%E7%94%B5%E6%9C%9B%E8%BF%9C%E9%95%9C/17603703#reference-[3]-17707546-wrap
[8]https://en.wikipedia.org/wiki/Square_Kilometre_Array
[9]https://ishare.ifeng.com/c/s/7pnj9RDgygi
[10]http://www.jb.man.ac.uk/news/2006/skasite/
[11]https://xueshu.baidu.com/usercenter/paper/show?paperid=196r0880kh050cy0ft0r0400am598091
[12]https://en.wikipedia.org/wiki/Square_Kilometre_Array#cite_note-13
[13]https://baike.baidu.com/reference/17603703/48c4Zvr726Bx23qKw4IzmlE80r2Rn0tkuTRYAdOCipbm6-zqJZGxsLQAr6e9qbRNqrXRexpfLnSdx4CYLu_SO31suGPvMZlDKu8J3bGOXHmw4bporuo
[14]https://baijiahao.baidu.com/s?id=1582016925600664299&wfr=spider&for=pc
[15]https://en.wikipedia.org/wiki/Australian_Square_Kilometre_Array_Pathfinder
[16]https://blog.csiro.au/what-we-know-so-far-about-fast-radio-bursts-across-the-universe/
[17]http://www.ncsti.gov.cn/kjdt/kjrd/202109/t20210929_45730.html
[18]https://www.atnf.csiro.au/projects/askap/science.html
[10]https://www.cnet.com/science/space/mysterious-ghostly-radio-circles-from-deep-space-probed-with-best-images-yet/
[20]https://blog.csiro.au/weve-mapped-a-million-previously-undiscovered-galaxies-beyond-the-milky-way-take-the-virtual-tour-here/
[21]https://blog.csiro.au/a-thread-of-the-cosmic-web-astronomers-spot-a-50-million-light-year-galactic-filament/
[22]https://blog.csiro.au/dancing-ghosts-a-new-deeper-scan-of-the-sky-throws-up-surprises-for-astronomers/

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