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  • 细说世界最大望远镜

        陈冬妮

        据悉,经过数年筹备,平方千米阵列望远镜(Square Kilometer Array Telescope,简称SKA)将于2021年1月1日启动建设。

        SKA是国际天文学家计划建造的世界最大综合孔径射电望远镜,接收总面积达一平方千米,整个阵列延伸超过3000千米。其科学目标包括探求引力本质、搜寻地外文明等前沿问题。

        作为SKA的创始成员国,中国将承担该项目总计13个大类别中的5项,特别是在工程技术、数据处理、时间同步等方面承担重要工作。

        几年以后,这样的场景一定会在各种终端屏幕上“刷屏”:在人迹罕至、荒凉寂静的澳大利亚西部默奇森郡,广袤的大地上竖立着几百个样貌奇特的金属支架,看起来与居民楼顶的电视接收天线没什么差别;由此一路向西,跨越印度洋,进入视野的是同样人烟稀少、寂寞荒凉的南非卡鲁地区,密布的银光闪闪的碟形天线让人仿佛来到科幻电影《超时空接触》的拍摄现场。

        将于2021年开工建设的平方千米阵列望远镜(SKA)由位于西澳大利亚的低频射电望远镜阵列和主要位于南非的中高频射电望远镜阵列构成,是人类有史以来建造的最大规模射电望远镜,因其最终的信号接收面积可达1平方千米而得名。

        从1993年首次提出建设构想,到1997年由来自六个国家的八家科研院所首次签订合作备忘录,再到2008年SKA项目办公室正式落户在英国曼彻斯特,直至2011年成立全面领导建设项目的非营利性SKA组织,来自十余个国家的百余家科研单位的上千位科学家、工程师、项目管理人员通力合作,终于将SKA带到开工建设的阶段。

        无心插柳之举开创了射电天文学

        传统的天文望远镜其实只能接收到天体发出的可见光辐射,因此天文学家称它们为光学望远镜。遥远的天体在全电磁波段都会发出辐射,除了可见光波段之外,有能量更高的紫外、X射线和伽马射线,能量更低的红外、微波以及射电辐射。天文学家用来接收天体发出的射电波段辐射的仪器就被称为射电望远镜。利用射电望远镜从事天体射电辐射研究的天文学分支就是射电天文学。

        恰如科幻电影所展现的那样,最初的射电望远镜大都是抛物面结构,也就是所谓的碟状天线,与我们熟悉的电视接收天线或通信卫星天线很像,只是个头要大得多。相较于光学望远镜,射电望远镜最大的优势是白天黑夜都可以观测,而不必等到夜幕降临。由于来自恒星、行星、星系等天体的射电辐射非常微弱,因此射电望远镜的口径必须非常大,接收设备必须极其灵敏,才能收集到足够多的射电波段能量供天文学家研究使用。射电望远镜的选址也要远离人口密集的城市,避免无线电通讯、电视、机动车、电台等一切人造电磁干扰。

        相较于历史悠久的光学天文观测而言,射电天文学是一门新兴的分支学科,其鼻祖是美国的卡尔·央斯基。1932年,央斯基作为美国贝尔电话实验室的工程师,建造了一架直径30米的天线,用来辨别可能对无线电通信造成干扰的信号源。测量结果表明存在一个周期为23小时56分钟的重复干扰源。经过与光学波段的星图比对,央斯基断定这个重复的干扰源来自银河系,在人马座方向信号最强。卡尔的无心插柳开创了射电天文学。

        由于射电波段频率覆盖十分宽泛,射电波长从毫米(亚毫米)波到厘米波、米波以及更长的量级,不同目标天体发出辐射的频率也不尽相同,因此射电望远镜的大小、样貌千差万别。既有公众熟悉的单个碟形天线,也有样子奇特的铁丝网一样的米波射电望远镜阵列。

        把距离遥远的射电望远镜连在一起

        射电天文学在1946年迎来了革命性的突破,干涉技术让射电天文观测不再局限于某个固定的台站。简单说,天文干涉技术就是把很多台射电望远镜对同一目标观测的结果,或者通过光纤信号传输,或者通过原子钟同步,再经超级计算机后期处理,综合每台射电望远镜的数据,模拟使用一台超大口径射电望远镜的观测结果,以达到超高的分辨率。

        有了射电干涉技术,射电天文学家就可以跨越大陆、大洋,将距离遥远的射电望远镜连在一起,因为这样的射电望远镜口径不再是单天线望远镜的直径(目前最大的是我国贵州FAST望远镜,口径500米),而是连接在一起形成望远镜阵列的望远镜中,最远端的两台望远镜间的距离(在地面上的极值可以是地球直径)。再利用综合孔径技术(将不同射电望远镜观测到的辐射信号按其相位进行叠加,相同相位的信号得到增强,而相位相反的信号则互相抵消),从而将射电望远镜的分辨率提高万倍。

        位于美国新墨西哥州的甚大望远镜阵列(VLA)拥有27台射电望远镜,可以组成371条不同的基线(即从被观测天体的角度看来,任意两台射电望远镜间的距离)。基线的数量越多,基线越长,在射电波段观测得到的图像分辨率就越高。印度的巨型米波射电望远镜,是已建成的有物理连接的最大射电望远镜阵列。正在建造的欧洲低频阵列则由2万个小型天线组成,分布在48个不同的台址,其分辨率相当于一台口径几百千米的望远镜;大名鼎鼎的甚长基线(VLBI)干涉阵列拥有长达几千千米的基线,是射电干涉以及综合孔径技术应用的翘楚。

        平方千米阵列望远镜开辟新历史

        说到这里,我们就不难看出SKA为什么会成为全球天文学家关注的焦点:无论是基线的长度,还是一次投入观测的望远镜数目,都远远优越于目前已有的射电望远镜阵列;望远镜所在的西澳大利亚和南非都远离人口密集的城市,无线电干扰可以降至最低。位于西澳大利亚的SKA低频射电天线阵列将由分布在核心区域和三个旋臂的512个台站构成,观测的最长基线可达65千米,每一个台站都包括大约250个独立的偶极天线,意味着需要安装的天线总数将多达13万。

        地处南非的中高频射电天线阵列也采用类似的建造模式,133个陆续新建的台站将与南非已有的64架碟形射电望远镜一同组成大型射电望远镜阵列,最远基线长达150千米。排列在三个旋臂上的200架望远镜覆盖33平方千米的区域。

        SKA的终极目标则更加宏伟,是上述望远镜阵列规模的十倍。其中澳大利亚部分的低频射电望远镜总数量将达到100万台,以南非为中心的中高频射电望远镜总量为2000台,将分布在博茨瓦纳、加纳、肯尼亚、马达加斯加、毛里求斯、莫桑比克、纳米比亚和赞比亚等八个非洲伙伴国境内。预计2025年左右,SKA就能够运行部分阵列开始天文科学探测工作。

        史诗般的SKA让天文学家踌躇满志,这从SKA的科学目标涵盖的范围就可见一斑:挑战爱因斯坦的广义相对论(探求引力本质)、生命摇篮(搜寻地外文明)、星系形成、宇宙学和暗能量、探测宇宙曙光等等,全部是天文学最前沿最具吸引力的课题。SKA究竟会给我们带来多少惊喜,让我们拭目以待!

        延伸阅读

        “中国贡献”日益凸显

        中国作为SKA项目最早的发起国之一,自上世纪90年代起就积极参与SKA的筹建工作。随着我国科学技术水平飞跃式的发展,对SKA项目的“中国贡献”也日益凸显出来。

        庞大的望远镜阵列在以超高分辨率和超高灵敏度极速完成巡天观测的同时,必将产生前所未有的超大数据量。2019年11月,由中科院上海天文台牵头的科研团队成功研制出SKA区域中心原型机。原型机的计算模块采用了新型数据岛架构,将整个数据中心分成若干个小区域或多个子数据中心,既可以独立执行数据处理任务,也可以根据需求灵活重组资源,满足SKA多任务并行处理的要求。

        在SKA项目的进程中,“中国贡献”不只体现在以数据处理原型机为代表的“软实力”方面。中国电子科技集团公司第五十四研究所于2018年2月完成了SKA反射面天线首台样机的设计制作,展现了SKA项目“中国贡献”的“硬实力”。由于需要建造的天线数量众多,SKA组织对天线价格、建设速度和运行维护的费用等都提出了近乎苛刻的要求。我国提出的天线设计制作方案正是凭着“物美价廉”的高性价比力压群芳,在2015年11月召开的天线设计方案国际评选会上,被国际评审委员会一致推荐为SKA天线的唯一研发方案。

        (作者为北京天文馆副馆长)  

  • “钢铁侠”机器人将交付使用

        谭晶晶 化冬

        据美国知名机器人研发企业萨科斯机器人公司发布的消息,这家公司研发的新款工业用外骨骼机器人外形酷似“钢铁侠”,将于本月交付给首批客户。

        萨科斯机器人公司媒体负责人日前接受采访时说,这款产品名为“Guardian XO”,可用独立电池供电,充满电后可持续工作8小时。

        Guardian XO是一套具有24个自由度的外骨骼全身机器人。穿戴着它,人可以举起90千克的重物,但仅仅感觉自己在举起4.5千克。它完全采用电动驱动,并且可以运行2个小时而不受限制。据介绍,这款外骨骼机器人拥有脊背和四肢,使用者只要一分钟就能“嵌入”其中。同时新用户只需要进行几分钟的培训就可以熟练操作。

        由于Guardian XO具有独立的腿和脚,因此大约自身67千克重的骨骼(及其所携带的物品)会绕过使用者,将重量直接转移到地面上。这意味着使用者并不需要将机器人束缚在自己身上,而是将自己束缚在机器人身上。因此尽管它看上去很笨重,但其实系统的重量并不是使用者承受的。

        Guardian XO使用力传感器检测到使用者进行的每个动作,然后平行移动骨架的四肢,使操作者的身体与骨架的硬件平稳地匹配。比如,如果你来回摆动手臂,它会以同样的方式来回摆动手臂;如果你迈步,它会以同样的方式迈步。Guardian XO将自己定位为人的工具,它做的仅仅是辅助,而非完全替代。也就是说,你仍能感受到重量,只是感觉轻了。

        据了解,这种外骨骼机器人可广泛应用于搬运重物的工作,包括制造、建筑、物流、航天以及国防工业等。一套Guardian XO每年的租金为10万美元,第一批产品将于本月交付科技领域和美国军方的客户。

        萨科斯机器人公司还在继续完善他们的产品。未来的版本将能够在充满挑战的地形,如泥泞的地面,雨天或雪天中在户外行走。他们的预期是XO的用户不需要太多持续的服务和维护就可以在复杂环境下使用。

  • 天然气管网注入氢实现碳减排

        张家伟

        英国基尔大学2日发布消息说,在该校园区内推行的一个绿色能源试点项目已正式实施,将把氢气按一定比例注入天然气管网中用于供暖。由于氢的“零碳排放”特性,这有助减少英国整体的碳排放量。

        氢气燃烧后只产生热量和水。这个英国政府支持的绿色能源项目由基尔大学与多家公司和机构合作开展。项目的设计方案是在该校园区内的天然气管网中最高按体积20%的比例注入氢气,通过这种方式降低供暖耗能产生的碳排放。使用这种新方法,用户无须改变现有设备和管道。

        据介绍,83%的英国家庭使用天然气取暖,家庭住宅和工业方面的供暖供热占据了英国一半的能源消耗以及三分之一的碳排放。因此,如果上述方法能够在全英国推广,预计每年可减少约600万吨二氧化碳排放,这相当于路面上少了250万辆汽车。

  • 通过汗液测酒驾可补呼吸检测不足

        王斌

        长期以来,人们一直使用呼吸仪检测酒驾。但这种仪器的不足之处是:酒驾者会找各种借口,比如刚用过漱口水(里面含有酒精)等。此外,呼吸检测器需要连续吹上10秒钟,一旦人处于昏迷状态,则无法进行检测。

        《分析化学》科学杂志最近报道,美国奥尔巴尼大学化学系副教授扬·哈拉梅克宣称发明了一种能利用汗液准确、快速检测体内酒精含量的神器。

        哈拉梅克副教授率领的团组对26名志愿者进行了试验。他们先对每个人进行检测,证明没有喝酒。然后每人喝几杯40度伏特加。随后,使用汗水和呼吸两种设备进行检测,并对获取的100多个读数进行比较。结果表明前者更为快速、准确和便捷。

        哈拉梅克副教授认为,不久的将来,汗液分析器有望取代呼吸分析器测酒驾。

  • 黑猩猩也爱音乐 能随节奏摇摆身体

        华义

        人们听到音乐,往往不自觉地随着节奏摇摆身体。日本京都大学最新一项研究发现,黑猩猩也会如此。这表明音乐和舞蹈的“基因”在大约600万年前人类和黑猩猩的共同祖先身上就已经存在了。

        京都大学灵长类研究所的一个研究小组测试了7只人工饲养的黑猩猩,给它们播放两到三分钟有节奏的音乐,并观察反应。结果发现,每只黑猩猩都会随着音乐节拍摇摆身体和头,手舞足蹈。

        研究人员还发现,黑猩猩中,雄性对音乐的反应比雌性更大,舞动身体的时间更长,发声也更多。他们认为这与雄性黑猩猩之间有更多声音交流有关。

        研究人员认为,这些结果表明,约600万年前人类和黑猩猩的共同祖先就有随节奏起舞的生物基础,支持了人类的“音乐性”有进化学上的根源。研究成果发表在最新一期美国《国家科学院学报》杂志上。

        本版部分图片/视觉中国