「2018电子艺游平台」用“这片”望远镜,寻找宇宙第一缕光

2020-01-09 08:59:28

[摘要] ska是由全球十多个国家计划合资建造、世界最大的综合孔径射电望远镜,我国是发起国之一。正如中国ska首席科学家、中科院院士、国家天文台研究员武向平所言,ska将承载探索宇宙第一缕光、验证引力理论等物理学最前沿的问题。而2016年以后,有着“中国天眼”之称的500米口径球面射电望远镜成为单口径世界第一。目前,遍布全球的射电望远镜,可以通过射电干涉原理组成“地球级”望远镜。“与传统望远镜相比,ska更

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2018电子艺游平台,人类有史以来最大的射电望远镜阵列项目——平方公里阵列(square kilometer array,ska)即将开建:11月在上海举行的第六届ska工程大会上传来消息,ska项目第一阶段预计在2021年开工建设。

ska是由全球十多个国家计划合资建造、世界最大的综合孔径射电望远镜,我国是发起国之一。

作为下一代担当引领作用的射电天文观测设施,ska不仅承载孕育世界级科研成果的使命,还将产生世界上前所未有的超大数据量。仅按照ska全部规模10%来建造的第一阶段,科学处理器所需要的计算能力,就相当于我国超级计算机“天河二号”的8倍、“神威·太湖之光”的3倍。如此庞大的数据需要深度分析和加工后才能被科学家使用,这些工作将由分布于几大洲的区域数据中心合作完成。

正如中国ska首席科学家、中科院院士、国家天文台研究员武向平所言,ska将承载探索宇宙第一缕光、验证引力理论等物理学最前沿的问题。

什么是ska?

ska由2500面直径15米的碟形天线阵列、250个致密孔径阵列、130万只偶极天线阵列组成,接收总面积达1平方公里,预期将于2021年开始第一阶段建设。

ska的台址位于澳大利亚、南非及南部非洲8个国家的无线电宁静区域。整个阵列延伸超过3000公里,所有观测仪器相互之间采用高性能的计算引擎和超宽带连接,并设有处理大量数据的“大脑”。

经各国科学家凝练,ska射电望远镜一共形成五大科学目标,分别是:探测宇宙黎明和黑暗时期;研究星系演化、宇宙学与暗能量;验证宇宙中有没有其他生命,寻找地外文明;利用脉冲星和黑洞检验强引力场;研究宇宙磁场的起源和演化。其中,宇宙起源、引力波、引力本质、暗物质和暗能量等,都是目前物理领域最前沿的问题,一旦有所突破,很有可能会诞生一批可获得“诺贝尔奖”的新理论、新成果。

此外,ska形成的海量数据的处理,已逼近现有计算机极限。据估算,仅占总规模10%的ska第一阶段算力,就相当于数台顶级超级计算机之和。这一巨大算力需求,也将促进计算机科学、信息学、电子学等领域的巨大发展。

与fast优势互补

1931年,美国贝尔实验室的无线电工程师卡尔·央斯基使用天线收到了来自银河系中心的无线电波——这也射电天文学诞生的标志。

在射电望远镜中,顶着“大锅”形抛物面天线的一类望远镜最为人熟知。在波多黎各的阿雷西博天文台,口径达305米的巨“锅”,很长一段时间里是世界上最大的单面口径射电望远镜,自1961年建成后,它为人类探索宇宙立下卓越功勋。

而2016年以后,有着“中国天眼”之称的500米口径球面射电望远镜(fast)成为单口径世界第一。建成短短几年,已经在脉冲星观测方面取得了不少成果。

那么,有没有可能造一口比fast更大的“锅”?事实上,在当下技术条件下,单一口径望远镜,做到500米口径,恐怕已经接近极限。

中国ska首席科学家、中科院院士、国家天文台研究员武向平,在去年的中科院第十九次院士大会全体院士学术报告会上透露,中国未来射电天文设备的布局,是单口径与干涉阵列协同发展。其中单口径指fast,干涉阵列则是ska。

fast的优势在于口径大,灵敏度高,可以观测到微弱的信号。但单一口径视场小,无法实现目标同时观测;单一口径在分辨率上也有限制。通过射电干涉,协同作战,则是非常好的互补方案——这也就是ska项目的目标。

干涉原理,就是对多台射电望远镜的观测数据进行相干计算,就可以模拟出相当于整个区域大小的单个天线所接收的信号,从而得到更高的分辨率,使人们有可能看到天体的更多细节。

换言之,干涉测量技术使天文学家可以模拟出一个和天线分布距离一样尺寸的“巨型”望远镜。

事实上,干涉原理已经应用在天文学观测中。目前,遍布全球的射电望远镜,可以通过射电干涉原理组成“地球级”望远镜。在此前拍摄黑洞照片的“事件视界望远镜”项目中,科学家就利用分布于全球不同地区的8个射电望远镜阵列,组成一个虚拟望远镜网络观测银河系中心的巨大黑洞。

信息时代的望远镜

上述“给黑洞拍照片”观测,记录的数据通过硬盘传递到计算中心,由超算汇总处理。这一过程花了一年多。

而ska则是完完全全的数字化望远镜。甚至,部署在西澳大利亚沙漠的130万只低频偶极天线阵列,每个小天线都带有智能接收机,直接形成数字化信号,传递给计算机。

这意味着,ska将产生天文观测史上空前巨大的数据量。“与传统望远镜相比,ska更像是一个‘软件’望远镜。”中国科学院上海天文台研究员安涛指出。

安涛等人预计,按照 ska 的数据流规模,估计在建设的第一阶段,每年需要输送到区域数据中心进行深度分析的科学数据就达到了每年300pb。300pb是什么概念?如果使用容量为16tb的硬盘储存,这些数据需要装满接近两万块硬盘;相当于千亿张照片。

而ska第一阶段的规模,仅占总规模的10%。安涛预计,到了第二阶段,从 ska 天文台产生的预处理数据的规模将扩展到 ska 先导项目的 100 倍以上,达到eb量级。ska两个最重要的科学方向——宇宙再电离和黑暗时期探测、用脉冲星计时阵精确测量引力,需要积累未校准的原始数据;如果考虑到保存一定时间的原始数据,那么 ska的数据存储需求将提高至少一个量级。

如此海量的数据,对其进行科学处理所需的算力自然惊人。如果估算ska第一阶段的算力需求为260 pflops,那么需要接近3台“天河2号”超级计算机的全部算力才能满足。

此外,安涛等人认为,以数据密集型科学计算为特点的 ska 数据处理,对我国的电子、计算机、信号处理行业提出了更高的要求。 ska 科学数据处理应用面临着“存储墙”问题。即使“天河二号”这样的超算,对于ska这类大数据的处理资源也会有不足,同时不便进行突发事件的观测分析,因此亟待研究适应数据密集型科学计算的新型架构体系。

“ska将对除天文学以外的其他众多学科,诸如计算机科学、信息学、电子学等领域带来极大的促进作用。” 中国参加ska第一阶段综合论证报告中指出。

为什么选择澳大利亚和南非?

ska的低频阵列天线将在澳大利亚西部的沙漠地区建设。这些天线每个高约2米,两个阶段总数将达到130万只。这些天线能捕捉到低至50兆赫、高至350兆赫的射电信号。

130万只天线将分布于500个站点,站点间最大距离65公里。目前,两个ska的测试平台——ska探路者和默奇森宽场阵列(mwa)已经在这一地区建成。

中高频的天线将设置于南部非洲的人烟稀少地区。虽然ska非洲的台址设在南非,并不是由南非独立主持,在其他八个国家也将有天线分布,包括: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、赞比亚。

在ska的第一阶段,将建设超过10万个低频偶极天线、200个15米中高频蝶形天线;其余90%的天线将在第二阶段建成。

据ska组织介绍,南非的沙漠地区具有完美的射电静默背景,这为即将形成的跨越整个非洲大陆的ska中高频阵列望远镜提供保障。“荒凉的地方是天文学家喜欢去的地方。”武向平表示。

在ska的大工程中,中国参与了反射面天线、低频孔径阵列、信号与数据传输、科学数据处理、中频孔径阵列等国际工作包联盟。目前,中国制造的15米天线样机已经研发制作完成。

此外,中国、澳大利亚与欧洲均已启动区域中心建设。中国已成功研发了世界首台ska区域中心原型机。上海天文台还正在牵头中国ska区域中心的筹备工作。

目标:宇宙第一缕光、验证引力理论

在ska的第一阶段,科学家确定了两个优先目标:宇宙第一缕光的探测、脉冲星与检测引力理论。

现有宇宙学理论认为,宇宙起源于138亿年前的“大爆炸”后,宇宙从极高温冷却,之后经过长久的“黑暗时代”,终于产生了第一批恒星,这也就是宇宙的第一缕光。探测宇宙第一缕曙光需要射电望远镜具有极高的灵敏度,还要消除银河系在内的各种背景噪声——ska正是观测这一现象的最合适设备。武向平表示,ska的目标是基于寻找第一缕光开展中心氢宇宙学。

此外,通过对脉冲星验证引力理论也是ska的目标之一。武向平曾提到,如果能发现一对脉冲星和黑洞,通过其运动可以精确检验黑洞的时空性质,从而验证引力理论。

此外,武向平表示,ska能够告诉我们50光年范围内是否有地外文明。“对于ska来说,如果50光年范围内有一架飞机飞过,飞行员的通话我们都可以听到。”

【作者】 王诗堃

【来源】 科技能见度南方号

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