中國智慧讓“天眼”明眸善睞

平方公里陣列射電望遠(yuǎn)鏡（SKA）首臺(tái)天線樣機(jī)  新華社發(fā)

SKA組織總干事菲利普·戴蒙在首臺(tái)天線樣機(jī)出廠儀式上發(fā)言  新華社發(fā)

　　“在天線研究領(lǐng)域，曾經(jīng)很難在國際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊上看到中國學(xué)者的影子，而近些年，發(fā)生了根本性變化，隨便翻開這些刊物，中國科學(xué)家的名字占比很高，有時(shí)甚至?xí)_(dá)到其中三分之一到二分之一。”清華大學(xué)電子工程系教授、微波研究所所長楊帆隨手從書架上抽出一本期刊，翻到目錄，向本報(bào)記者歷數(shù)其中中國學(xué)者的名字。

　　與學(xué)術(shù)研究精進(jìn)相得益彰的是，中國在天線制造領(lǐng)域也取得了驚人的進(jìn)步，不僅讓國際同行刮目相看，贏得了世界頂級(jí)用戶的青睞，而且為推進(jìn)國際大科學(xué)工程作出了卓越貢獻(xiàn)。近日，中國領(lǐng)銜建成的平方公里陣列射電望遠(yuǎn)鏡（SKA）首臺(tái)天線樣機(jī)就是這方面的最新例證，該種天線將使SKA“觀天巨眼”明眸善睞。

　?、倬瘸?nbsp;驚艷亮相

　　2月6日下午3時(shí)，河北石家莊中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所（中國電科54所）工程現(xiàn)場(chǎng)，在眾多記者的見證下，通體白色、約7層樓高的巨型反射面天線啟動(dòng)了，它龐大的巨型“身軀”開始緩緩轉(zhuǎn)動(dòng)，既可以完成俯仰15°和90°區(qū)間，又可以完成左右270°的旋轉(zhuǎn)。

　　這是國際大科學(xué)工程，平方公里陣列射電望遠(yuǎn)鏡的核心設(shè)備即天線首次對(duì)外精彩亮相，也是繼2015年中國電科提交的方案從激烈的國際競(jìng)爭中勝出，被確定為SKA反射面天線研發(fā)的唯一設(shè)計(jì)方案，取得的又一個(gè)重大突破。

　　這臺(tái)天線的“殺手锏”當(dāng)然是優(yōu)異的精度指標(biāo)。據(jù)中國電科54所SKA天線總設(shè)計(jì)師杜彪介紹，該天線采用了高電磁屏蔽天線座架設(shè)計(jì)，屏蔽掉電子設(shè)備輻射的電磁信號(hào)，使其在重力、溫度和風(fēng)載荷影響下的主副反射面精度和綜合性價(jià)達(dá)到當(dāng)今最優(yōu)。關(guān)于對(duì)射電望遠(yuǎn)鏡的精度要求之高，SKA組織總干事菲利普·戴蒙德曾有一個(gè)經(jīng)典的對(duì)比性描述。他說，一片雪花落下產(chǎn)生的能量可謂微小之至，但是已經(jīng)超過迄今為止射電天文領(lǐng)域接收到的所有能量。同時(shí)，SKA組織對(duì)天線價(jià)格、建設(shè)速度和運(yùn)行維護(hù)的費(fèi)用和便捷性也提出了“苛刻”要求。中國天線正是憑著“質(zhì)優(yōu)價(jià)廉”的超高綜合性價(jià)比“征服”了SKA組織。

　　“我們的中國同事對(duì)類似的技術(shù)有著極為豐富的經(jīng)驗(yàn)?；谶@些經(jīng)驗(yàn)來建造SKA，是我們能夠擁有一個(gè)成本可控的反射面天線的關(guān)鍵。這一原型機(jī)正在中國拔地而起，最終將有133面天線矗立在南非。”菲利普·戴蒙德在蒞臨現(xiàn)場(chǎng)觀摩演示時(shí)這樣評(píng)價(jià)說。“對(duì)中國來說，這個(gè)項(xiàng)目是標(biāo)志其崛起為世界科學(xué)大國的一個(gè)里程碑，為其贏得了參與跨國合作項(xiàng)目的聲譽(yù)。”英國《金融時(shí)報(bào)》如是報(bào)道。

　?、跀?shù)據(jù)處理 超算顯威 

　　作為全球最大的天文學(xué)國際合作項(xiàng)目，SKA建成后將等效為一個(gè)反射面積高達(dá)1平方公里的超大望遠(yuǎn)鏡，其靈敏度將比目前世界上最大射電望遠(yuǎn)鏡陣列的靈敏度提高約50倍，巡天速度提高約1萬倍。這意味著其運(yùn)行將會(huì)產(chǎn)生空前規(guī)模的數(shù)據(jù)，這就要求建立依賴于超級(jí)計(jì)算技術(shù)的數(shù)據(jù)處理支撐體系。據(jù)相關(guān)預(yù)測(cè)，SKA每秒采集的數(shù)據(jù)量計(jì)劃大于12Tb，相當(dāng)于2013年底中國互聯(lián)網(wǎng)國際出口帶寬的3.5倍，相當(dāng)于谷歌每年數(shù)據(jù)量的30倍。SKA超大的數(shù)據(jù)規(guī)模無疑對(duì)現(xiàn)有計(jì)算技術(shù)和架構(gòu)提出極大的挑戰(zhàn)。

　　近年來，中國超級(jí)計(jì)算機(jī)獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，成就舉世矚目，這為SKA大數(shù)據(jù)處理作出更大貢獻(xiàn)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。據(jù)2017年底發(fā)布的全球“超級(jí)計(jì)算機(jī)500強(qiáng)榜單，中國“神威·太湖之光”和“天河二號(hào)”計(jì)算機(jī)再次蟬聯(lián)冠亞軍，浮點(diǎn)運(yùn)算速度分別為每秒9.3億億次和每秒3.39億億次。

　　中國超算實(shí)際上已經(jīng)為SKA數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)備工作作出了重大貢獻(xiàn)。2016年八九月間，“天河二號(hào)”成功運(yùn)行了 SKA數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)框架，這是SKA項(xiàng)目在大規(guī)模數(shù)據(jù)處理方面的研究跨出的至關(guān)重要的一步。目前，SKA各成員國正積極申建科學(xué)與數(shù)據(jù)中心，中國方面也為此付諸努力，上海憑借中科院上海天文臺(tái)和本地著名高校的人才和裝備優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)把建設(shè)SKA亞洲科學(xué)中心項(xiàng)目列入該市科技創(chuàng)新“十三五”規(guī)劃中，并贏得SKA組織的高度評(píng)價(jià)。

　　中國領(lǐng)先的信息技術(shù)企業(yè)積極參與SKA數(shù)據(jù)處理項(xiàng)目。2015年5月，中國浪潮集團(tuán)有限公司與SKA組織在京聯(lián)合舉辦了“SKA科學(xué)數(shù)據(jù)處理研討會(huì)”，旨在尋找一種更加高性能低能耗的計(jì)算架構(gòu)，來應(yīng)對(duì)全球最大“大數(shù)據(jù)”項(xiàng)目的科學(xué)數(shù)據(jù)處理挑戰(zhàn)。浪潮集團(tuán)相關(guān)負(fù)責(zé)人表示，該集團(tuán)與SKA組織針對(duì)項(xiàng)目中計(jì)算量最大、最耗時(shí)的數(shù)據(jù)處理軟件Gridding，已經(jīng)展開了并行優(yōu)化工作，并在世界大學(xué)生超級(jí)計(jì)算機(jī)競(jìng)賽中設(shè)置了相應(yīng)的賽題，激發(fā)全球各國超算年輕天才共同來解決這一難題。

　　在SKA信號(hào)和數(shù)據(jù)傳輸方面，中方清華大學(xué)提出的方案在2017年10月召開的相關(guān)會(huì)議上被確定為“低頻陣列望遠(yuǎn)鏡的最終時(shí)間同步方案”。準(zhǔn)確的時(shí)間同步系統(tǒng)是SKA的重要組成部分，將使SKA在繪制宇宙中氫的分布、研究脈沖星以及在銀河范圍內(nèi)探測(cè)引力波等眾多領(lǐng)域做出重要貢獻(xiàn)。清華大學(xué)提出的時(shí)間同步系統(tǒng)方案比SKA組織的需求提高了約兩個(gè)數(shù)量級(jí)，完全滿足SKA兩個(gè)階段的參數(shù)要求。

　?、劭嗑毠Ψ?nbsp;內(nèi)外兼修

　　作為SKA項(xiàng)目的創(chuàng)始國和成員國之一，中國早在SKA概念誕生伊始便積極參與其中。1993年，國際無線電科聯(lián)召開日本京都大會(huì)，中國天文學(xué)家和澳、加、法、德等國的天文學(xué)家一道聯(lián)合倡議籌劃建造接收面積為1平方公里的巨型射電望遠(yuǎn)鏡，它的靈敏度將比目前世界上最大的望遠(yuǎn)鏡高2個(gè)數(shù)量級(jí)。這就是SKA的發(fā)端。

　　為爭取SKA項(xiàng)目選址中國，也為了積累相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，提高中國在射電天文學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展水平，我國天文學(xué)家南仁東于1994年提出構(gòu)想：利用貴州喀斯特地貌在建設(shè)全球最大的射電望遠(yuǎn)鏡“FAST”，這就是被譽(yù)為“中國天眼”的500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡。

　　由于SKA對(duì)無線電信號(hào)等方面非?？量痰囊?，中國未能如愿成為SKA項(xiàng)目建設(shè)地，但是中國在天文學(xué)領(lǐng)域持續(xù)發(fā)力，并取得了豐碩成果。2009年，世界上最大的大視場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡“LAMOST”建成。2015年，我國在南極冰蓋制高點(diǎn)昆侖站附近建成了“巡天”望遠(yuǎn)鏡。2016年，“FAST”落成啟用，成為具有我國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、世界最大單口徑、最靈敏的射電望遠(yuǎn)鏡。2017年，中國首顆X射線空間天文衛(wèi)星“慧眼”發(fā)射升空，攜帶的硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡是研究黑洞、中子星等致密天體的“利器”。中國在天文觀測(cè)領(lǐng)域的一個(gè)個(gè)飛躍，贏得了國際同行的尊敬。

　　與此同時(shí)，我國成為SKA項(xiàng)目的大力推動(dòng)者。2011年，包括中國在內(nèi)的7國作為創(chuàng)始成員國成立了SKA獨(dú)立法人機(jī)構(gòu)SKA組織。目前已有中國、澳大利亞、加拿大等10個(gè)核心成員國，此外，還有來自20多個(gè)國家的約100個(gè)組織也已投身SKA的設(shè)計(jì)研發(fā)中。

　　“堅(jiān)持自主研發(fā)與國際合作并重，是中國特色自主創(chuàng)新的自覺之路。”科技部國際合作司司長葉冬柏表示，在苦練“內(nèi)功”的同時(shí)，通過參與SKA大科學(xué)裝置和國際大科學(xué)計(jì)劃，正不斷推動(dòng)中國前沿科技探索走進(jìn)新時(shí)代，也為國際科學(xué)創(chuàng)新貢獻(xiàn)了中國智慧。

　　鏈接

　　平方公里陣列射電望遠(yuǎn)鏡

　　平方公里陣列射電望遠(yuǎn)鏡（Square Kilometer Array,簡稱SKA）是國際天文學(xué)界計(jì)劃建造的世界最大綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡，接收面積達(dá)1平方公里，將為人類認(rèn)知宇宙提供重大機(jī)遇。SKA由大約3000個(gè)15米口徑拋物線面天線、250組中頻和低頻孔徑陣列組成，分布范圍大于3000公里，形成旋臂陣列望遠(yuǎn)鏡。

　　SKA將致力于回答關(guān)于宇宙的一些基本問題，如，第一代天體如何形成、星系演化、宇宙磁場(chǎng)作用、引力本質(zhì)、暗物質(zhì)和暗能量等。SKA項(xiàng)目涉及天文、無線電、信息科學(xué)、力學(xué)、機(jī)械、土木工程等眾多領(lǐng)域；集成眾多高科技成果，如高性能低造價(jià)寬帶天線制造、高品質(zhì)接收機(jī)、海量數(shù)據(jù)傳輸處理、信號(hào)處理、系統(tǒng)工程等，需要廣泛的國際合作來實(shí)現(xiàn)。 

　?。萍疾繃疫b感中心供稿）