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2018-7-14

MeerKAT落成:银心绚烂

平方千米阵(SKA)堪称当代射电天文学家最狂野的梦想。200架抛物面望远镜与十余万台偶极子天线组成了中、低频两大阵列,以空前的灵敏度、优异的分辨率外加数倍于当前全球互联网总流量的数据采集速率接收来自宇宙的射电波,想一想都让人在激动不已的同时又倒吸一口凉气——如此规模的工程无论对天线设计、数据存储还是处理工作提出的挑战都是空前的,一旦完成建设,在革新天文学研究的同时,想必也会为信息技术带来革命。

SKA低频阵宣传海报内容节选。这张图就贴在本人办公室门外的走廊里,每每看到都会被画面上这个大大的“5x”吓到。想来当前FAST望远镜每秒数GB的观测数据,应对起来已然让人头大不已;而与SKA相比,哪怕互联网巨头口中的大数据产业也不过是小巫见大巫。再联想到年初某某业余爱好者自称对整理数据和观测资料颇有经验所以更适宜前往天文台任职所以对其当前工作的态度只是随便凑合并无任何兴趣,一顿让人吐槽无力的抒情外加牢骚还引得一众不明真相的外行纷纷表达或敬佩或唏嘘之情,不禁感叹这世上真真乃无知者无畏是也。(图片提供:SKA Organisation)

不过任何伟大的工程总归无法一蹴而就。当前世界各地的天文学家都在积极开展平方千米阵的预研工作,其中包括为中频阵建造了MeerKAT与ASKAP两大验证阵列,为低频阵建造了默奇森(Murchison)广域阵与氢元素再电离阵(HERA)试水,还有就是利用已有的射电干涉仪或大型单天线望远镜对SKA关键技术进行探讨。在这林林总总的探路者或前导项目中,南非的MeerKAT阵列因为最终将融入SKA的中频阵,因此其地位显得格外重要。

这组由64面13.5米天线组成的阵列座落在南非西部的北开普省,在SKA中频阵全面落成之前,它都将保持南半球规模最大、灵敏度最高的射电望远镜这一头衔。MeerKAT的建设始于差不多9年前,次年最初的一批7架天线第一次籍由干涉图合为一体。2016年,16架天线的落成标志着阵列第一期建设工程的结束,MeerKAT也在此时迎来了正式的开光。

MeerKAT阵列俯瞰。(图片提供:SKA South Africa)

而就在昨天,南非副总统David Mabuza亲自宣布,MeerKAT阵列的64面天线全部落成。因为经费与技术难度等种种原因,这一时刻的到来比最初的预期足足晚了5年。这些天线分内外两层散布在方圆8千米的范围内,彼此构成了2000组天线对,这样的数字远远超过了任何同类型的设施——庞大的天线对数量可以保证更加全面的uv平面(相当于天空真实影像的傅里叶变换)覆盖,从而更好地还原天体的真实模样;但更多的基线数量也无疑增加了数据的体量,所以这一点也正是未来SKA要面临严峻挑战的根本原因。

MeerKAT的预期覆盖频段比SKA中频阵略窄,下抵580 MHz,上至14.5 GHz,不过中间还存在不小的空缺。落成时使用的接收机在900 MHz到1.67 GHz的频段内工作,这也是该阵列的第一套接收系统。与2年前开光时以天空中的千百个射电点源作为目标不同,这次望远镜阵列的落成图像选择瞄准了位于人马座的银河系中心区域,这里特大黑洞周围的极端环境有着绚烂而独特的景观,引人入胜。

MeerKAT落成时公布的银心干涉图,其中大尺度平滑结构的相关数据由绿堤望远镜提供。(图片提供:SARAO)

在MeerKAT的银心图像中,最引人注目的特征当属长而纤细的纤维状结构——这是等离子体被磁化的产物,大体与银盘垂直,最初在上世纪80年代由甚大天线阵(VLA)发现。在偌大的银河系中,这种构造仅见于银心黑洞附近,且起源至今尚不明朗。对于研究者来说,MeerKAT这次观测的亮点在于辨认出了一些与纤维成协的致密源,它们有望提供这些结构形成与演化的线索。

VLA在1984年对银河系中心区域进行的观测,这应该是最早记录下银心纤维的影像之一了。(图片提供:NRAO/AUI)

如今MeerKAT的落成其实只是一个开始,整个平方千米阵建设的艰巨任务还等在前方。今年年初,SKA中频阵的第一架天线样机在中国电子科技集团54研究所的车间里完成了组装,以为天线阵列的关键设计评审作准备。最早在2019年,在SKA合作组的领导下,第一批6架天线的实地建造工作将正式开始,以论证设计方案的可行性。最终SKA中频阵将由200架这这样的天线组成,它们与规模更加惊人的低频阵一道,最终将为我们描绘出射电天空的华章。

今年2月初在石家庄完成组装的SKA天线样机。(图片提供:SKA Organisation)

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