SKA推动非洲天文学研究大发展

南非平方公里阵列天文望远镜项目副主任贾斯廷·乔纳斯教授

5月25日,世界最大规模的天文望远镜平方公里阵列射电望远镜(SKA)的最高决策机构SKA组织宣布,由南非和澳大利亚共同承建SKA,其中三分之二的天线将建在南部非洲。消息传出后,南非科技部部长娜莱迪·潘多尔用“欣喜若狂”来表达自己的激动之情。南非SKA项目副主任贾斯廷·乔纳斯教授也如释重负,他激动地说:“我们等待这个决定太久了,这是一段漫长而艰难的路。”

南非为什么能赢得SKA项目?SKA落户非洲意义何在?南非如何保证SKA项目的顺利实施?就这些问题,乔纳斯教授接受了科技日报记者的书面采访。

占尽地利 构建人和

乔纳斯博士毕业于南非罗德斯大学物理学与电子学系,长期从事天文学研究,先后担任该系系主任、南非HartRAO天文台主任。2003年起,成为南非SKA项目科学家;2009年被任命为该项目副主任,主管科学与工程。乔纳斯参与了南非竞争SKA项目的全过程,他认为,南非独特的地理优势和开创性的科学探索是南非赢得SKA项目的关键。

乔纳斯介绍,SKA天文望远镜要捕捉的是来自宇宙遥远深处的非常微弱的无线电信号,因此对于建设地点有极高的要求,而南非的选址完全满足这些要求。南非选定的SKA中心区位于北开普省的卡鲁地区,那是一片广袤荒凉的偏远盆地,远离经济活动中心,人烟稀少,无线电频率干扰极少,是天然的无线电信号静默区。该地区海拔在1千米以上,气候温和,没有出现过极端天气,空气干燥(潮湿天气会影响信号强度)。这样一个干燥的高原,为中频率天文观测提供了极佳的大气和对流层条件。

乔纳斯指出,南非政府于2007年通过《天文学地理优势法》,将北开普省定为天文学优势地区,并将计划建设的SKA中心周围约12.5万平方公里的区域划为天文学研究保护区,对该地区及其周围的无线电信号和人为活动进行严格约束,并授权科技部部长采取必要措施,保证在SKA天线覆盖的区域,无线电频率干扰处于极低的水平。

尽管该地区比较偏远,但道路、电力等基础设施条件都已具备,光纤网络也正在铺设。目前已有9条海底光缆将非洲与世界其他地区连通,还有数条海底光缆正在建设中,非洲的互联网带宽已经得到极大的提升,而且还将成倍增加,完全可以满足未来天线与数据处理中心、中心与世界各地天文观测机构之间的数据传输需求。

为了申请SKA,南非首先完成了南部非洲大型望远镜项目(SALT)。SALT目前是南半球也是非洲最大的单一光学望远镜。为了给SKA项目做前期技术准备,南非从2004年开始推出MeerKAT项目一个由64个直径为13.5米的碟形天线组成的阵列,预计在2016年全部完成。在SKA建成前,MeerKAT将会成为南半球最庞大最精密的射电望远镜。目前,MeerKAT的前身KAT-7已经完成,7个天线组成的阵列已经开始工作。

SKA选址咨询委员会认为,南非提出的候选地址更为优越,但是为了使SKA更加具有包容性,最终采取双址建设方案。

推动非洲天文学研究

根据SKA组织的决定,SKA一期工程占总工程量的10%,南非现在正在建设的MeerKAT将作为其中的一部分,同时还要再在南非建设190个碟形天线。在SKA建设第二阶段,大约3000个碟形天线将建在南部非洲,其中50%的天线将建在卡鲁地区,部分天线将分建在博茨瓦纳、加纳、肯尼亚、马达加斯加、毛里求斯、莫桑比克、纳米比亚和赞比亚8国,最远的天线离中心的距离将超过3000公里;同时所有中频孔径天线(具体数目尚未确定)也将建在南部非洲。

乔纳斯认为,SKA主体项目落户非洲,意味着南非科学家迄今为止所做的工作将为SKA做出直接贡献。MeerKAT与SKA项目一期在科学设计方面非常相似,由于参与过MeerKAT碟形天线的研究,南非的科研人员能直接加入到SKA项目第一阶段的建设工作中,他们有机会成为未来SKA项目研究的领军人物。

乔纳斯说,南非为赢得SKA做了长期努力,今天已经得到回报。在2003年刚开始申请SKA项目时,整个南部非洲只有12位射电天文学家,而到2011年已超过60位,南非有100多位工程师在围绕SKA项目开展技术研究。非洲越来越多的大学开设天文学和天体物理学课程,与SKA有关的科学与工程中心在非洲大陆已是星罗棋布。从2004年开始,南非SKA项目设立“青年科学工程计划”,目的是提供与射电天文学有关的工程训练,培育非洲自己的射电天文学研究能力。目前已经在南非的大学中设立了5名首席研究员和2名教授,资助、培养了400多名学生,其中有22位博士后和43位博士。随着SKA落户非洲,非洲大陆的人力资源将得到更大规模、更高层次的开发,科技创新将使非洲在全球知识经济领域扮演越来越重要的角色。

国际合作的大平台

乔纳斯最后谈道,SKA不仅仅是建在南非和澳大利亚两国的天线阵列,还包括分布在各成员国的专家、机构、数据网络和计算机设施。SKA是一个大型全球合作项目,依赖于SKA组织各成员国的大力支持,其建设和运营费用也需要各成员国分担,所有成员国将参与SKA的管理、开发和建设。

南非已经在空间科学研究方面与众多国家开展了合作。比如,南部非洲大型望远镜(SALT)就与波兰、美国、德国、英国、新西兰和印度等国建立了合作关系。来自22个国家、121家研究机构的360位科学家,参与了MeerKAT项目研究和建设。

在谈及与金砖国家的合作时,乔纳斯指出,南非和印度已在高性能计算机和数据处理方面开展合作,南非和中国正在就碟形天线建设进行密切合作。中国和南非都是SKA组织成员国,印度、俄罗斯和巴西很可能在将来加入SKA组织。可以预期,金砖国家在SKA项目和空间科学研究方面的合作必将更加深入和宽广。


科技日报 李学华





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