新春走基层丨星空密语谁能解——探访我国首个宇宙暗能量射电观测实验站
2024-02-04 21:11:06 石榴云/新疆日报

  石榴云/新疆日报记者 魏永贵

  车辆在公路上疾驰。前车卷起的雪雾,似一条长龙翻滚。太阳藏进厚重的云层,只显出圆形的轮廓。空中开始飘雪,能见度降低。车慢下来了。

  “一般的天气变化,对我们的探测内容影响不大。”2月3日,在车里,中国科学院国家天文台研究员王有刚说,即将到达的观测站使用的是射电望远镜阵列,不是光学望远镜,能见度的高低,对探测没有影响。

  189公里,两个小时,车辆从巴里坤哈萨克自治县县城到达大红柳峡乡。拐下公路,在铲车推出的雪道中继续前进。道旁积雪最高处可及车身一半。

  艰难前行10公里,眼前豁然开朗。山间小盆地里,出现三组巨大的柱形射电望远镜天线阵列,它们以半圆弧形平卧于地。旁边,是16座碟形射电望远镜天线阵列。

2月3日拍摄的中国科学院国家天文台红柳峡宇宙暗能量射电观测实验站。李晓楠摄

  荒山吹寒,铅云接地。这一片天线阵列直指苍穹,展现着一种苍凉宏阔的美。

  “这就是中国科学院国家天文台红柳峡观测站,是我国第一个、世界第二个宇宙暗能量射电观测实验站。”王有刚说。

  聆听宇宙“天籁”,捕捉暗能量身影

  宇宙是怎样诞生的?宇宙为什么在加速膨胀?暗能量是什么?暗物质是什么……

  在观测站的天线阵列里徘徊,记者心中涌现一个个疑问。

  “探索宇宙的奥秘,是人类的天性。”站在柱形天线阵列前,王有刚开始给记者“科普”,“天文学是一种基于观测事实的科学。20多年前,科学家证实了宇宙在加速膨胀。为什么会加速膨胀?科学家们提出了各种理论,最终得到了一个结论,就是宇宙中可能含有大量的暗能量,是暗能量在驱动宇宙加速膨胀。”

  王有刚介绍,科学家们现在普遍认为,人类目前发现的组成宇宙的普通物质只占宇宙总质量的5%左右,“剩下的95%中,68%是暗能量,27%是暗物质。但是暗能量和暗物质的本质至今依然是个谜。”

  对暗能量的研究,是全球基础科学领域的重大课题。我国在“863计划”(国家高技术研究发展计划)中,列入了宇宙暗能量探测项目,于“十二五”期间实施。2014年,新疆红柳峡暗能量射电探测干涉阵列项目开始建设,2015年10月正式投入使用。

  “我们把暗能量射电探测关键技术称为‘天籁计划’,红柳峡观测站是天籁计划的首个落地项目。”王有刚说,“天籁”这个词是项目首席科学家陈学雷研究员取自庄子的《齐物论》,指的是宇宙万物真实自然的声音,“面对浩瀚星空,天文学家们都有浪漫的想象力。我们把‘天籁’理解成宇宙的韵律,特别契合这个暗能量探测项目的内涵。”

  怎么发现和捕捉暗能量的身影?

  在柱形和碟形天线下,王有刚指着天线顶部的一个装置介绍说,对暗能量的研究非常艰深复杂,国内外科学家当前初步取得了一些成果。简单来讲,在暗能量的射电探测方面,目前的主要思路是先在宇宙大尺度上探测到中性氢的辐射,根据中性氢的分布,倒推出暗能量的本质。“这两个天线阵列承担的就是这个任务,通过地球的自转,天线阵列可以自动巡天。观测到的信号汇聚到顶部这个馈源装置,然后通过光纤传输到我们的数据存储中心,之后再进行数据分析,从数据分析结果中寻找暗能量的蛛丝马迹。”

  从200多个站点中选择了红柳峡

  从小盆地出发,再次经过崎岖难行的雪道,记者来到了观测站生活区。

  生活区位于大红柳峡乡政府所在地,一边是学校,另一边是医院。大红柳峡乡是边境乡,国家对乡里各项基础设施建设的投入不小。校园和医院内楼宇崭新;主街公路宽阔笔直;农牧民的房屋庭院整洁又漂亮。

  观测站生活区有一个挺大的院子,院内坐落着一排板房,还停着一辆铲车。王有刚说,冬天,铲车随时要出发,确保到观测区的道路畅通。

  观测站在建立之前,经历了四年野外站址的选择过程。

  为确保观测数据准确,“天籁”射电望远镜阵列的要求很高:射电干扰少,电磁环境优良;站址平地面积至少14400平方米,以便于安装望远镜阵列设备,四周最好有山脉当屏障,以屏蔽可能传来的人工干扰电波;电力供应充足、交通便利;极端天气较少,远离地震带和矿带。

  “‘天籁’计划的首席科学家陈学雷研究员亲自领着我们跋山涉水,在高原、戈壁和大山深处选址。”王有刚回忆说,按照选址的要求,项目组昼夜兼程,踏访了北京、内蒙古、陕西、吉林、贵州、青海、新疆、西藏等省区市遴选出的200多个站点,进行了电磁环境测试,并有重点地对一些站点进行综合调查,最终选定了如今的红柳峡山间盆地。

  “我们首次来新疆选址是2011年春节前,我和陈学雷研究员一起来的。新疆天文台的王维侠老师很熟悉新疆各地地形地貌,事前也进行了广泛调研。我们根据他的建议走访了五六个站点。”王有刚说,当时正值寒冬,在红柳峡调查时,车辆在山路上陷入积雪,大家顶风冒雪,用铲子铲了半天,始终没法脱困,“好在天快黑的时候,我们等来了一辆哈萨克族牧民的拖拉机,把我们拉了出来。”

  二期阵列今年安装

  观测站生活区距离观测区的小盆地有8公里,建有数据采集和存储中心。天线阵列探测到的数据,经过光纤传输到这里存储。

  走进数据存储中心,4列机架上排列着一排排服务器。光纤连接口红灯闪烁,房间里充斥着服务器运行时的低鸣。

  “每天有4TB的观测数据。”王有刚介绍,由于数据量很大,观测站会定期把数据硬盘带回国家天文台,由天河二号等超级计算机进行数据分析。

2023年7月,红柳峡宇宙暗能量射电观测实验站的璀璨夜空。周博摄

  红柳峡宇宙暗能量射电观测实验站的建成,是我国在利用射电技术探测暗能量方面的重大技术突破。

  “以往国际上对暗能量的探测,采用比较多的技术手段是光学探测。”王有刚介绍,“天籁计划”依托“863计划”,研制出了可用于暗能量探测的射电望远镜实验阵列,为暗能量探测与研究提供了新的实验数据。“天籁计划”不仅是我国第一个针对再电离之后的中低红移宇宙中的星系和宇宙大尺度结构中性氢观测项目,还将提升我国在暗能量研究和射电天文技术方面的自主创新能力,实现我国在暗能量研究和射电天文技术方面的跨越式发展。

  王有刚说,围绕暗能量射电探测主题,“天籁计划”对柱形天线阵和碟形天线阵进行漂移扫描巡天后的综合孔径成像方法进行了研究,发展了基于快速傅立叶变换(FFT)和球谐函数变换的算法,并进行了数值模拟,研究了定标校准方法。

  “除了探索宇宙暗能量外,红柳峡观测站还进行了快速射电暴的观测。”王有刚说,快速射电暴是宇宙中一种剧烈爆发的现象,它的起源依然是一个谜。国际天文学界还不清楚究竟是什么原因导致快速射电暴的出现。要了解它,首先是要观测到它,并对其精确定位。2022年4月15日凌晨1点26分40秒,红柳峡观测站首次探测到快速射电暴事件,该快速射电暴位于猎犬座方向。这是国内首次使用合成波束技术探测到快速射电暴。

  今年,红柳峡观测站将实施二期建设工程,二期工程由中国科学院国家天文台和东北大学合建。二期工程的一部分是在距现观测区10公里之外新建两组天线阵列,大幅提升快速射电暴的定位精度。“建设完成后,红柳峡观测站将为我国暗能量和快速射电暴的研究作出新的贡献。”王有刚说。

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[责任编辑:刘豪]
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