1 背景

经过国际射电天文学界多年论证,国际大科学工程——平方公里阵列 (Square Kilometre Array, SKA)[1]射电望远镜即将进入建设阶段[1]SKA 凭借其宏伟的科学目标和庞大的建造 规模,成为目前国际天文界计划建造的世界最大综合孔径射电望远镜。SKA 由全球十多个 国家出资共同建造,台址位于澳大利亚、南非及南部非洲 8 个国家的无线电宁静区域。2011 年由包括中国在内的 7 个国家作为创始成员国,成立了 SKA 独立法人机构 SKAO (SKA Organization)。目前 SKAO 11 个成员国,包括澳大利亚、加拿大、中国、印度、意大利、 新西兰、南非、西班牙、瑞典、荷兰和英国,德国和法国暂为观察员国。2012 9 月,国务院批准并授权由科技部牵头,统筹协调联合国内相关部门参与 SKA 建设准备阶段的相关工 作,并参与谈判。

作为革命性的大科学设备,SKA 有望实现重大科学突破,使人类更好地理解所生活的宇 宙。同时,参与 SKA 的建设也是中国天文学科发展的难得机遇。经过 20 余年的预研究,国 际天文界已就 SKA 的重要性、必要性和可行性达成广泛共识。作为 SKA 的首倡国之一,中 国在 SKA 发起、工程概念提出、国际合作及高性能天线设计等诸多方面做出了贡献。国际 科学界确定了 SKA1 的科学目标以及高优先级科学目标。中国在此框架下,结合中国实际选 定了“利用中性氢探测宇宙黎明和再电离、通过脉冲星观测探测引力波及精确检验广义相对 论及其他优势领域”为优先方向的“2+1”科学目标[2]。这些目标在科学上具有重大突破意 义,同时极具竞争性和挑战性。随着相关研究不断深入,SKA 的科学目标也在不断调整和凝 练,但 SKA 始终致力于回答宇宙的一些最基本问题,如宇宙的第一缕曙光、宇宙的结构形 成、宇宙中的生命起源等。对这些问题的研究必将开辟人类认识宇宙的新纪元。

2 本项目的研究内容和科学意义

近期,上海天文台申报的“SKA 前期数据处理系统建设和相关科学预研”项目以其战略 性、基础性、前瞻性等特点,获得了国家重点研发计划的支持。国家重点研发计划项目由中 央财政资金设立,面向世界科技前沿、瞄准国家目标,聚焦国家重大需求,优化配置科技资 源,着力解决当前及未来发展所面临的科技瓶颈和突出问题,同时,关注重大共性关键技术 和产品研发,以及重大国际科技合作等,加强跨部门、跨行业、跨区域研发布局和协同创新, 为国民经济和社会发展的主要领域提供持续性的支撑。

该科学团队在继承中国 SKA 低频探路者“宇宙第一缕曙光”探测项目 21CMA 在十年间 所积累的经验和广泛国际合作的基础上,计划小规模改造现有设备,从而迅速掌握数字多波 束合成、高动态大视场成像、前景去除等 SKA 低频成像的关键核心技术。同时,与 SKA 低 频阵 (SKA-low) 所在的台址国澳大利亚的 SKA 先导设备 MWA (Murchison Widefield Array) 开展深层次合作,预选未来 SKA1-low 宇宙再电离深度成像的观测天区,尽快占据宇宙再电 离成像观测的有利地位,为最终利用 SKA1-low 对选定观测天区进行长达 1 000 h 的深度定 点观测做好充分准备,最终实现 SKA1 既定的首要科学目标,即宇宙再电离成像。

项目始终围绕未来使用 SKA1-low 进行宇宙再电离深度成像观测为预期目标展开,并为 之做技术和科学上的充分准备。项目主要依托中国的 21CMA 和澳大利亚的 MWA 这两个低 频设备,它们的视场和频率都与未来 SKA1-low 实施的宇宙再电离成像观测要求一致。目前, 这两个设备都处于常规运行状态,可以有效保障项目实施所需要的深度干涉成像数据的获取, 而基于实际观测数据开展的大视场和高动态干涉成像以及前景去除研究,将奠定未来使用 SKA1-low 取得重大发现的基础。

SKA 能否取得里程碑式的重大科研成果取决于 SKA 科学数据处理能力和科学分析研究 水平,而承担 SKA 最终的科学处理、面对科学家用户、直接产生科学成果的工作将由 SKA 区域中心完成。中国 SKA 科学团队将建设自己的 SKA 区域数据中心,并使之逐步过渡到SKA 亚太科学和数据中心 (SKA1 后期) 和未来的国际 SKA 科学和数据中心 (SKA2 阶段), 让中国科学家不出国门即可便捷使用 SKA 数据,以产出科学成果。此外,还将吸引 SKA 国 际伙伴和其他成员来中国围绕 SKA 进行科学研究和交流。该项目将在 SKA 建成之前利用探 路者设备 21CMA MWA 实测数据的基础上,深入研究多波束数字合成、高动态大视场成 像及数据处理的集成流水线等 SKA 科学数据处理的关键核心技术,为 SKA 的宇宙再电离直 接成像观测做好准备,并研制中国 SKA 数据中心的原型机。同时,通过项目实施,逐步掌 握 SKA 科学数据处理的关键核心技术,培育和完善中国 SKA 科学团队。未来,中国 SKA 数据中心将有望成为国际首批完成的区域数据中心之一,完成的数据处理原理样机也将为国 际同类数据密集型科研装备提供模板和借鉴,并最终在 SKA 关键技术的集成验证、关键科 学项目的数据处理等方面做出中国贡献。

3 课题的设置以及相互关系,研究目标

课题 1:宇宙再电离研究

本课题将瞄准 SKA1-low 的首要科学目标,利用 21CMA MWA 研究和预选宇宙再电 离的深度成像,为最终确定 SKA1-low 将观测的 5 个天区做准备。本课题以科学目标为牵引, 带动其他课题的研究。

课题 2:高动态大视场成像研究

立足 21CMA,并与 MWA 合作,对现有设备实施有限的技术升级改造,以期尽快掌握 SKA-low 的多波束技术,以实现我们既定的宇宙黎明/再电离探测,以及脉冲星搜寻/精确检 验引力理论 (包括引力波探测) 这两大方向为牵引的中国 SKA 宏伟科学目标。

课题 3:中国 SKA 数据中心原型机研制

以宇宙再电离成像和脉冲星搜寻为主要科学目标,结合项目组多年来参与国际 SKA 科 学数据处理工作包的研究经验以及研制实验样机的经验,完成中国 SKA 数据中心的总体方 案设计和原型机建设,为建设大规模数据中心奠定基础。

课题 1 与课题 2 在研究内容上密切相关。课题 1 是直接针对宇宙再电离这一具体科学目 标开展研究,课题 2 则偏向于技术和算法,所研究的算法和发展的技术将可以直接应用于课 题 1 的宇宙再电离的深度成像。此外,课题 2 还将独立发展数字多波束技术,为低频脉冲星 的搜寻打下基础。课题 1 和课题 2 为课题 3 提供理论指导和算法支持,所开发的算法和软件 模块将直接集成到课题 3 的原型机;课题 3 服务于课题 1 和课题 2 的科学目标,为其科学研 究提供计算和存储资源。

4 该课题对科学研究、国家经济的贡献

本项目是建立在十年建设和运行 21CMA 的基础之上,是建立在作为 MWA 正式成员的 国际合作基础之上,是建立在完成《中国 SKA 科学白皮书》[2] 和《中国参加 SKA 综合论 证报告》[3] 大背景的基础之上,是建立在长期合作自然形成的科学团队基础之上。中国参与 SKA 大科学工程的决心和过去十年中国射电天文学在低频射电领域的积累,为本项目的实施 提供了最大的保障和动力。本项目的实施将会进一步夯实中国参与 SKA1 并取得科学回报的 基础,让中国科学家利用 SKA1 尽早做出重大原创性成果。

SKA 区域中心将成为中国,乃至整个亚洲首个能够适用于 SKA 科学数据处理的数据中 心。持续前期参与 SKA 这一国际重大基础科学装置的研制及其科学目标的探究,不仅为中 国天文学家取得重要科学成果提供契机,而且也为中国参与国际大科学工程提供支撑,推进 中国在天文学前沿课题理论和方法上的创新[4]


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