浩瀚蒼穹，帶給人類永恒的好奇;仰望星空，離不開幫助人類“極目遠眺”的望遠鏡——從天文到物理，中國正在積極參與國際大科學工程。

近期，中國平方公里陣列射電望遠鏡(SKA)啟動大會在北京召開。中國作為SKA的發(fā)起者、倡導者和研制者，成為SKA建設(shè)中不可或缺的重要力量。

貴州深山中的“中國天眼”，讓中國科學家有機會走到人類“視界”的最前沿。而SKA可謂是超越國界的“世界巨眼”。

作為全球大科學裝置，SKA也是迄今為人類計劃建造的最宏偉的天文觀測設(shè)備之一，將主導未來射電天文學50年的發(fā)展命脈。SKA不僅能給中國在基礎(chǔ)科學前沿領(lǐng)域帶來豐厚和突破性的回報，也是中國科技長遠發(fā)展的全球布局。

中國科學院院士、中國科學院上海天文臺名譽臺長葉叔華在第四屆世界頂尖科學家論壇上對第一財經(jīng)記者表示：“SKA是目前天文學領(lǐng)域最大的國際合作項目之一，這就需要各國以開放合作的態(tài)度參與進來?，F(xiàn)在上海天文臺已經(jīng)有一些儀器設(shè)備可以接受來自合作方的數(shù)據(jù)，這對于開放科學推動科學進步是有重要意義的。”

“中國天眼”全景(維護保養(yǎng)期間拍攝，無人機照片)。(新華社資料)

提升國際大科學合作參與度

科技部部長王志剛在啟動大會上強調(diào)，國際大科學計劃和大科學工程已成為世界科技創(chuàng)新領(lǐng)域重要的全球公共產(chǎn)品和提升本國創(chuàng)新能力的重要合作平臺，要充分把握我國參與SKA的絕佳機會，不斷提升國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域研究能力，積累國際大科學工作管理經(jīng)驗，在國際重大科技議題和規(guī)則的倡導、推動和制定等方面多做高水平的工作。

未來全球由三個非常不同的項目在觀測著宇宙深空。第一個項目是有“中國天眼”之稱的500米口徑球面射電望遠鏡(FAST);第二個項目是加拿大氫元素強度測繪實驗(CHIME)望遠鏡，它由四個100米長的半圓柱形接收器組成，每天都會掃描整個北半球上空;第三個項目就是平方公里陣列射電望遠鏡SKA項目，這是一個多國共同開展的大型科學項目，也被稱作“世界巨眼”，這是一個完全數(shù)字化的射電望遠鏡陣列，一期項目建設(shè)的投入就達到20億美元(約合128億元人民幣)。

葉叔華對第一財經(jīng)記者表示，SKA是一個宏大的科學項目，不僅需要巨大的資金支持，也離不開數(shù)據(jù)和信息的共享。

據(jù)介紹，SKA是由大量小單元天線構(gòu)成綿延至上千公里的綜合孔徑陣列，集大視場、高靈敏度、高分辨率、寬頻率范圍等卓越性能于一身，其科學研究目標包括第一代天體如何形成、星系形成與演化、暗能量性質(zhì)、宇宙磁場、引力本質(zhì)、生命分子與地外文明等。關(guān)于這些問題的任何突破，都將引發(fā)自然科學的重大變革。

SKA的革命性設(shè)計也意味著難以想象的超大信息量和數(shù)據(jù)量，顛覆了射電天文學的傳統(tǒng)研究手段，給射電天文學創(chuàng)新研究帶來全新理念。

“當我們談?wù)撻_放科學的時候，不僅僅是說數(shù)據(jù)合作的開放，讓適合的人都可以參與進來，更多的是說基于對等的開放。”葉叔華對第一財經(jīng)記者表示，“開放是不是對等很重要，比如說你開放少了，我開放多了，這就影響到了彼此的收益。”

葉叔華先生資料圖。(來源：中國科學院官網(wǎng))

2021年初，平方公里陣列天文臺成立并開始正式運行，其總部設(shè)在英國，望遠鏡臺址位于澳大利亞和南非。第一階段建設(shè)于2019年開始，歷時5年完成約10%的體量;第二階段將建設(shè)其余的部分，預計于2030年全部完成。今年7月，SKA天文臺啟動望遠鏡建設(shè)工作，SKA正式步入建設(shè)階段。

天文學靠大設(shè)備說話

這一宏大的天文學工程被認為將推動全球制造、通信、計算、能源等一系列產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展。中科院院士、中國科學院國家天文臺研究員、SKA中國首席科學家武向平在上海舉辦的世界頂尖科學家論壇上表示：“天文學是靠大設(shè)備說話的，因此擁有大國重器非常重要。我們現(xiàn)在的望遠鏡(天眼‘FAST’)向全世界開放，效果是非常好的。”

FAST是世界最大單口徑、最靈敏的射電望遠鏡。借助這只巨大的“天眼”，科研人員可以窺探星際之間互動的信息，觀測暗物質(zhì)，測定黑洞質(zhì)量，甚至搜尋可能存在的星外文明。

FAST還將圍繞“中國天眼”建設(shè)引力波探測研究、射電天文大數(shù)據(jù)等科技中心，發(fā)揮引領(lǐng)作用。

中國科學院國家天文臺數(shù)據(jù)顯示，截至目前，“中國天眼”已發(fā)現(xiàn)340余顆脈沖星，是同期世界上其他所有望遠鏡發(fā)現(xiàn)脈沖星總數(shù)的3倍以上。

武向平認為，在天文學領(lǐng)域堅持自主研究和國際合作相結(jié)合非常重要。他除了負責FAST項目之外，還在推動中國SKA項目的建設(shè)，以實現(xiàn)望遠鏡單口徑和干涉陣列的協(xié)同發(fā)展。他表示，中國參加SKA的主要目的是追求宏偉科學目標和取得豐碩的科學回報。

在近期舉行的SKA啟動大會上，武向平透露，中國射電天文學的戰(zhàn)略是在國內(nèi)立足單口徑FAST，在國際上參與干涉陣列SKA。

據(jù)介紹，中國的科學團隊還計劃建設(shè)SKA區(qū)域數(shù)據(jù)中心，使中國科學家不出國門也能便捷使用數(shù)據(jù)產(chǎn)出科學成果，并吸引國際伙伴來中國進行科學研究和交流。

重大突破，科研儀器先行。要證明前人的理論，后人的實驗驗證是關(guān)鍵，這就必須用到大科學裝置。

“SKA第一階段將帶來革命性的科學發(fā)現(xiàn)，顛覆我們對宇宙的認識。在中國，SKA科學的最大挑戰(zhàn)是，如何把觀測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為科學發(fā)現(xiàn)。”武向平表示。

“世界巨眼”搜尋外星生命

一直以來，人們探索宇宙空間的腳步從未停止，望遠鏡是人們遙望宇宙的“巨眼”。武向平在談到為何要建“巨眼”工程時表示：“望遠鏡分布在世界各個角落，觀測同一目標時既要記錄信號也要記錄時間，不同的時間在干涉研究前需事先轉(zhuǎn)換，影響效率。于是科學家們想到把望遠鏡的傳統(tǒng)干涉技術(shù)與線控雷達技術(shù)相結(jié)合，建造一臺信息化時代的射電望遠鏡。”

基于上述設(shè)想，包括中國在內(nèi)的十多個國家共同組成了平方公里陣列射電望遠鏡國際組織，SKA應運而生。SKA的兩個優(yōu)先科學目標是，尋找宇宙中第一個形成的天體——“看到宇宙的第一縷光”;以及尋找脈沖星，探索暗物質(zhì)和暗能量的本質(zhì)問題。

葉叔華對第一財經(jīng)記者表示，天文學領(lǐng)域近年來取得的突破主要依靠基礎(chǔ)研究以及設(shè)施的巨大投入，比如首張黑洞照片發(fā)布的背后就受益于全球性的事件視界望遠鏡(EHT)大科學合作項目。

為了這一項目，200多名來自全球的科學家在世界的各個角落，將他們的望遠鏡對準了室女A星系(M87)，觀測期間大約持續(xù)了10天左右，各個望遠鏡觀察到的數(shù)據(jù)量加起來足有3600TB，光是數(shù)據(jù)處理就花費了長達兩年時間。

中國正在參與下一代EHT的建設(shè)。一位天文學專家對第一財經(jīng)記者表示：“EHT其實可以視為SKA項目的一部分，是其中的一個科學任務(wù)。”

不管是“中國天眼”，還是EHT和SKA，都是為了探索人類文明和宇宙的起源。葉叔華表示，基礎(chǔ)研究看似“無用”，但是對于人類增強對宇宙的認識是很重要的，比如研究黑洞和暗物質(zhì)，對這些物質(zhì)進行長期的觀察，以發(fā)現(xiàn)其中的變化和規(guī)律。

葉叔華紀錄電影《星河一葉》。(來源：中科院上海天文臺)

在被問及是否相信外星生命的存在時，葉叔華對第一財經(jīng)記者表示：“我想外星生命應該是有的，宇宙那么浩瀚，難道只屬于人類嗎?”

她認為，未來憑借多種觀測手段，人類一定會有所發(fā)現(xiàn)。“當然這也取決于人們研究的方法和方向是否正確，很有可能在很長一段時間你都一無所獲。”葉叔華說。

今年95歲高齡的葉叔華是中國天文界的泰斗級人物，浩瀚夜空中有一顆小行星以她的名字命名。今年第一次參加世界頂尖科學家論壇的葉叔華告訴第一財經(jīng)，她現(xiàn)在仍然每天都會去徐家匯天文臺的辦公室工作，做一些感興趣的事情。

“像前輩一樣，只有天天摸著望遠鏡做觀測，才能發(fā)現(xiàn)前沿的問題，從觀測角度做出更多原創(chuàng)的、世界領(lǐng)先的成果。”一位青年天文學家對第一財經(jīng)記者表示。