中國智慧讓“天眼”明眸善睞

平方公里陣列射電望遠鏡（SKA）首臺天線樣機  新華社發

SKA組織總干事菲利普·戴蒙在首臺天線樣機出廠儀式上發言  新華社發

　　“在天線研究領域，曾經很難在國際頂級學術期刊上看到中國學者的影子，而近些年，發生了根本性變化，隨便翻開這些刊物，中國科學家的名字占比很高，有時甚至會達到其中三分之一到二分之一。”清華大學電子工程系教授、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，向本報記者歷數其中中國學者的名字。

　　與學術研究精進相得益彰的是，中國在天線制造領域也取得了驚人的進步，不僅讓國際同行刮目相看，贏得了世界頂級用戶的青睞，而且為推進國際大科學工程作出了卓越貢獻。近日，中國領銜建成的平方公里陣列射電望遠鏡（SKA）首臺天線樣機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。

　　①精度超高 驚艷亮相

　　2月6日下午3時，河北石家莊中國電子科技集團公司第五十四研究所（中國電科54所）工程現場，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了，它龐大的巨型“身軀”開始緩緩轉動，既可以完成俯仰15°和90°區間，又可以完成左右270°的旋轉。

　　這是國際大科學工程，平方公里陣列射電望遠鏡的核心設備即天線首次對外精彩亮相，也是繼2015年中國電科提交的方案從激烈的國際競爭中勝出，被確定為SKA反射面天線研發的唯一設計方案，取得的又一個重大突破。

　　這臺天線的“殺手锏”當然是優異的精度指標。據中國電科54所SKA天線總設計師杜彪介紹，該天線采用了高電磁屏蔽天線座架設計，屏蔽掉電子設備輻射的電磁信號，使其在重力、溫度和風載荷影響下的主副反射面精度和綜合性價達到當今最優。關于對射電望遠鏡的精度要求之高，SKA組織總干事菲利普·戴蒙德曾有一個經典的對比性描述。他說，一片雪花落下產生的能量可謂微小之至，但是已經超過迄今為止射電天文領域接收到的所有能量。同時，SKA組織對天線價格、建設速度和運行維護的費用和便捷性也提出了“苛刻”要求。中國天線正是憑著“質優價廉”的超高綜合性價比“征服”了SKA組織。

　　“我們的中國同事對類似的技術有著極為豐富的經驗。基于這些經驗來建造SKA，是我們能夠擁有一個成本可控的反射面天線的關鍵。這一原型機正在中國拔地而起，最終將有133面天線矗立在南非。”菲利普·戴蒙德在蒞臨現場觀摩演示時這樣評價說。“對中國來說，這個項目是標志其崛起為世界科學大國的一個里程碑，為其贏得了參與跨國合作項目的聲譽。”英國《金融時報》如是報道。

　　②數據處理 超算顯威 

　　作為全球最大的天文學國際合作項目，SKA建成后將等效為一個反射面積高達1平方公里的超大望遠鏡，其靈敏度將比目前世界上最大射電望遠鏡陣列的靈敏度提高約50倍，巡天速度提高約1萬倍。這意味著其運行將會產生空前規模的數據，這就要求建立依賴于超級計算技術的數據處理支撐體系。據相關預測，SKA每秒采集的數據量計劃大于12Tb，相當于2013年底中國互聯網國際出口帶寬的3.5倍，相當于谷歌每年數據量的30倍。SKA超大的數據規模無疑對現有計算技術和架構提出極大的挑戰。

　　近年來，中國超級計算機獲得了突飛猛進的發展，成就舉世矚目，這為SKA大數據處理作出更大貢獻奠定了堅實基礎。據2017年底發布的全球“超級計算機500強榜單，中國“神威·太湖之光”和“天河二號”計算機再次蟬聯冠亞軍，浮點運算速度分別為每秒9.3億億次和每秒3.39億億次。

　　中國超算實際上已經為SKA數據處理的準備工作作出了重大貢獻。2016年八九月間，“天河二號”成功運行了 SKA數據處理軟件系統框架，這是SKA項目在大規模數據處理方面的研究跨出的至關重要的一步。目前，SKA各成員國正積極申建科學與數據中心，中國方面也為此付諸努力，上海憑借中科院上海天文臺和本地著名高校的人才和裝備優勢，已經把建設SKA亞洲科學中心項目列入該市科技創新“十三五”規劃中，并贏得SKA組織的高度評價。

　　中國領先的信息技術企業積極參與SKA數據處理項目。2015年5月，中國浪潮集團有限公司與SKA組織在京聯合舉辦了“SKA科學數據處理研討會”，旨在尋找一種更加高性能低能耗的計算架構，來應對全球最大“大數據”項目的科學數據處理挑戰。浪潮集團相關負責人表示，該集團與SKA組織針對項目中計算量最大、最耗時的數據處理軟件Gridding，已經展開了并行優化工作，并在世界大學生超級計算機競賽中設置了相應的賽題，激發全球各國超算年輕天才共同來解決這一難題。

　　在SKA信號和數據傳輸方面，中方清華大學提出的方案在2017年10月召開的相關會議上被確定為“低頻陣列望遠鏡的最終時間同步方案”。準確的時間同步系統是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探測引力波等眾多領域做出重要貢獻。清華大學提出的時間同步系統方案比SKA組織的需求提高了約兩個數量級，完全滿足SKA兩個階段的參數要求。

　　③苦練功夫 內外兼修

　　作為SKA項目的創始國和成員國之一，中國早在SKA概念誕生伊始便積極參與其中。1993年，國際無線電科聯召開日本京都大會，中國天文學家和澳、加、法、德等國的天文學家一道聯合倡議籌劃建造接收面積為1平方公里的巨型射電望遠鏡，它的靈敏度將比目前世界上最大的望遠鏡高2個數量級。這就是SKA的發端。

　　為爭取SKA項目選址中國，也為了積累相關經驗，提高中國在射電天文學領域的發展水平，我國天文學家南仁東于1994年提出構想：利用貴州喀斯特地貌在建設全球最大的射電望遠鏡“FAST”，這就是被譽為“中國天眼”的500米口徑球面射電望遠鏡。

　　由于SKA對無線電信號等方面非常苛刻的要求，中國未能如愿成為SKA項目建設地，但是中國在天文學領域持續發力，并取得了豐碩成果。2009年，世界上最大的大視場望遠鏡“LAMOST”建成。2015年，我國在南極冰蓋制高點昆侖站附近建成了“巡天”望遠鏡。2016年，“FAST”落成啟用，成為具有我國自主知識產權、世界最大單口徑、最靈敏的射電望遠鏡。2017年，中國首顆X射線空間天文衛星“慧眼”發射升空，攜帶的硬X射線調制望遠鏡是研究黑洞、中子星等致密天體的“利器”。中國在天文觀測領域的一個個飛躍，贏得了國際同行的尊敬。

　　與此同時，我國成為SKA項目的大力推動者。2011年，包括中國在內的7國作為創始成員國成立了SKA獨立法人機構SKA組織。目前已有中國、澳大利亞、加拿大等10個核心成員國，此外，還有來自20多個國家的約100個組織也已投身SKA的設計研發中。

　　“堅持自主研發與國際合作并重，是中國特色自主創新的自覺之路。”科技部國際合作司司長葉冬柏表示，在苦練“內功”的同時，通過參與SKA大科學裝置和國際大科學計劃，正不斷推動中國前沿科技探索走進新時代，也為國際科學創新貢獻了中國智慧。

　　鏈接

　　平方公里陣列射電望遠鏡

　　平方公里陣列射電望遠鏡（Square Kilometer Array,簡稱SKA）是國際天文學界計劃建造的世界最大綜合孔徑射電望遠鏡，接收面積達1平方公里，將為人類認知宇宙提供重大機遇。SKA由大約3000個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，形成旋臂陣列望遠鏡。

　　SKA將致力于回答關于宇宙的一些基本問題，如，第一代天體如何形成、星系演化、宇宙磁場作用、引力本質、暗物質和暗能量等。SKA項目涉及天文、無線電、信息科學、力學、機械、土木工程等眾多領域；集成眾多高科技成果，如高性能低造價寬帶天線制造、高品質接收機、海量數據傳輸處理、信號處理、系統工程等，需要廣泛的國際合作來實現。 

　　（科技部國家遙感中心供稿）