平方公里陣列射電望遠(yuǎn)鏡（SKA）項(xiàng)目七個(gè)創(chuàng)始成員國(guó)——中國(guó)、澳大利亞、意大利、荷蘭、葡萄牙、南非和英國(guó)在羅馬正式簽署了成立政府間國(guó)際組織的SKA天文臺(tái)公約。

這意味著，人類歷史上規(guī)模最大的天文學(xué)工程在政府監(jiān)督下正式啟動(dòng)建設(shè)。建成后，SKA將是世界上最大的射電望遠(yuǎn)鏡，引領(lǐng)射電天文學(xué)未來(lái)至少50年的發(fā)展脈絡(luò)。

中國(guó)SKA首席科學(xué)家、中國(guó)科學(xué)院院士武向平在接受澎湃新聞專訪時(shí)肯定該項(xiàng)目將給中國(guó)天文學(xué)界帶來(lái)重大機(jī)遇：用上最先進(jìn)的設(shè)備，和國(guó)際前沿科學(xué)家一起工作，做出最好的成績(jī)。

但并肩作戰(zhàn)合作與競(jìng)爭(zhēng)并存。中國(guó)參與SKA項(xiàng)目的最終目的并非建造望遠(yuǎn)鏡本身，而是用望遠(yuǎn)鏡做出科學(xué)發(fā)現(xiàn)。科學(xué)數(shù)據(jù)面前人人平等，在各成員國(guó)同時(shí)拿到數(shù)據(jù)的情況下，如何做出第一發(fā)現(xiàn)？這給武向平在內(nèi)的中國(guó)科學(xué)家?guī)?lái)了巨大壓力。

中國(guó)科學(xué)院院士、中科院國(guó)家天文臺(tái)研究員武向平。視覺(jué)中國(guó)(29.380,0.43,1.49%)圖

不同于大家熟知的“中國(guó)天眼”FAST，SKA是由一系列小單元天線編織成巨大網(wǎng)絡(luò)，也稱綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡，它不能直接成像，得到的只有海量的數(shù)據(jù)。這需要射電天文學(xué)家運(yùn)用專門的軟件處理，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為科學(xué)成果，從數(shù)據(jù)中“看見(jiàn)”宇宙。

武向平認(rèn)為，要把一個(gè)本科生培養(yǎng)到這個(gè)水平，板凳需坐十年冷。中國(guó)曾在一些項(xiàng)目上做過(guò)鋪墊和準(zhǔn)備，但積累的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)軟件和專業(yè)人才團(tuán)隊(duì)仍有不足。

這也正是人才隊(duì)伍發(fā)展壯大的好時(shí)機(jī)。從FAST到SKA，大型天文學(xué)工程給有志于仰望星空的年輕人開(kāi)辟出了廣闊空間。

從“中國(guó)天眼”到“地球之眼”

提起射電望遠(yuǎn)鏡，我們第一個(gè)想到的可能就是坐落于貴州省平塘縣大窩凼中的500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST）。事實(shí)上，這臺(tái)世界上最大的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡本該是SKA的一部分。

20世紀(jì)90年代初，包含中國(guó)在內(nèi)的10國(guó)天文學(xué)家聯(lián)合建議籌建接收面積達(dá)到1平方公里的大射電望遠(yuǎn)鏡陣，后更名為SKA。

1994年，國(guó)家天文臺(tái)在貴州開(kāi)始了SKA的選址工作，除中國(guó)之外，美國(guó)、印度、加拿大、澳大利亞和印度也有候選的先導(dǎo)工程方案。

不過(guò)，在SKA漫長(zhǎng)的設(shè)計(jì)和談判過(guò)程中，中國(guó)率先完成建設(shè)了大口徑射電望遠(yuǎn)鏡的夢(mèng)想。

SKA董事會(huì)主席卡特琳·塞薩爾斯基在羅馬的簽約儀式上應(yīng)景地引用了“羅馬并非一日建成”的俗語(yǔ)。她說(shuō)道，設(shè)計(jì)、建造及運(yùn)營(yíng)SKA需要數(shù)十年的努力、專業(yè)積累、創(chuàng)新、毅力及全球協(xié)作。公約奠定了使SKA成為現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)。

SKA因總接收面積達(dá)到1平方公里而得名，選址在澳大利亞和非洲。

記 者：在中國(guó)正式成為SKA創(chuàng)始成員國(guó)的談判過(guò)程中，有沒(méi)有讓你印象深刻的細(xì)節(jié)？

武向平：談判非常艱巨，主要是出資，各個(gè)國(guó)家都想出的少，拿得多，這也是合乎常理的。SKA是一個(gè)非常平等的國(guó)際合作項(xiàng)目，所有國(guó)家都持有一票。這有好處也有壞處。好處是能充分地發(fā)揮民主，缺點(diǎn)是沒(méi)有一個(gè)主導(dǎo)的國(guó)家能拍板算數(shù)。這就讓談判的過(guò)程非常困難和進(jìn)度緩慢，直到今天才算是正式啟動(dòng)建設(shè)。

過(guò)去SKA組織是個(gè)民間組織，由一個(gè)在英國(guó)注冊(cè)的公司運(yùn)營(yíng)。現(xiàn)在變成國(guó)際政府間組織，談判、免稅、履行投資承諾都更為正規(guī)化，受政府監(jiān)督。這是一個(gè)標(biāo)志性事件。

記 者：在參與SKA合作和談判的過(guò)程中，我們學(xué)習(xí)到了哪些東西？

武向平：這個(gè)過(guò)程主要培養(yǎng)了兩類人才：第一類是科學(xué)家，他們要在大的國(guó)際合作中和別人共處，參與工程設(shè)計(jì)、參與科學(xué)目標(biāo)凝練，然后未來(lái)在同時(shí)拿到數(shù)據(jù)的情況下思考怎么能做出科學(xué)發(fā)現(xiàn)。這讓科學(xué)家壓力很大。

這一步把科學(xué)家推到了國(guó)際的最前沿，讓你用國(guó)際最好的設(shè)備，要做出國(guó)際一流的成績(jī)。這是有競(jìng)爭(zhēng)的，并非有數(shù)據(jù)保底就一定能做出來(lái)。

第二是給管理人員創(chuàng)造了一個(gè)非常好的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)。我們國(guó)家現(xiàn)在是在參與而非牽頭。在參與大科學(xué)工程的過(guò)程中積累經(jīng)驗(yàn)，學(xué)會(huì)國(guó)際規(guī)則，學(xué)會(huì)制定國(guó)際規(guī)則，學(xué)會(huì)怎么談判、怎么投資。學(xué)會(huì)這么多東西以后，你才能有資本未來(lái)去牽頭大科學(xué)工程。

把數(shù)據(jù)變成科學(xué)，是一個(gè)“卡脖子”問(wèn)題

作為計(jì)劃建造并運(yùn)行50年的世界最大綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目，SKA并非單臺(tái)望遠(yuǎn)鏡，而是一個(gè)望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò)，由2500面直徑15米的碟形天線、250組中頻孔徑陣列和130萬(wàn)只低頻陣列組成，選址分別位于澳大利亞和非洲9國(guó)。SKA一期工程將建設(shè)總規(guī)模的10%。

它有望克服FAST等單口徑射電望遠(yuǎn)鏡的一些不足（如分辨率），填補(bǔ)人類對(duì)于宇宙基本認(rèn)知的空白。SKA可以利于中性氫揭開(kāi)宇宙第一批天體的面紗，在極端環(huán)境中檢測(cè)愛(ài)因斯坦相對(duì)論，助力引力波研究，探究神秘射電暴的本質(zhì)，提升對(duì)宇宙演化歷程的理解，并尋找地外文明的線索。

位于南非卡魯高原上的中頻孔徑陣列想象圖。

史無(wú)前例的望遠(yuǎn)鏡也會(huì)帶來(lái)史無(wú)前例的數(shù)據(jù)量。據(jù)一些科學(xué)家估計(jì)，僅按照一期工程建設(shè)的10%規(guī)模計(jì)算，SKA所需要的計(jì)算能力就相當(dāng)于中國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)“天河二號(hào)”的8倍、“神威·太湖之光”的3倍。

記 者：SKA建成后會(huì)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，這也是現(xiàn)在射電天文學(xué)的一個(gè)核心技術(shù)問(wèn)題，你會(huì)帶領(lǐng)中國(guó)科學(xué)家在數(shù)據(jù)處理和利用方面做出哪些努力？

武向平：現(xiàn)在SKA的技術(shù)設(shè)計(jì)基本上都已完成，經(jīng)過(guò)五年的各種論證，攻克了很多關(guān)鍵技術(shù)。下一步要做的事情是對(duì)系統(tǒng)合成進(jìn)行評(píng)估，也就是各部分集成起來(lái)有沒(méi)有問(wèn)題。

但對(duì)中國(guó)來(lái)說(shuō)，最難的問(wèn)題是把觀測(cè)到的數(shù)據(jù)變成科學(xué)，這是一個(gè)“卡脖子”問(wèn)題。假設(shè)望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)建完了，數(shù)據(jù)也有了，即使數(shù)據(jù)量很大，也有技術(shù)辦法把它們傳過(guò)來(lái)，但來(lái)了以后怎么變成成果？

其實(shí)我們國(guó)家建設(shè)望遠(yuǎn)鏡的最終目的不是建這個(gè)設(shè)備，而是要用設(shè)備做出成績(jī)來(lái)。如果沒(méi)有做出科學(xué)回報(bào)，那這個(gè)項(xiàng)目就是失敗。所以科學(xué)家參與的壓力是非常大的。如果你沒(méi)做出來(lái)，如果人家做出來(lái)你做不出來(lái)，就等于我們投資失敗。過(guò)去五年我們成立了科學(xué)團(tuán)隊(duì)，認(rèn)定了11個(gè)研究方向，準(zhǔn)備以此開(kāi)展研究。

這個(gè)望遠(yuǎn)鏡的工作原理和FAST不太一樣。FAST是一個(gè)單口望遠(yuǎn)鏡，光子可以匯聚到焦面成像。而SKA望遠(yuǎn)鏡是干涉望遠(yuǎn)鏡，它記錄的是兩個(gè)東西，專業(yè)上講一個(gè)叫強(qiáng)度，一個(gè)叫相位，它記錄的不是一副圖像。拿到數(shù)據(jù)后，要把它轉(zhuǎn)換成一幅圖是非常艱難的，目前的理論并不完備。

培養(yǎng)一個(gè)科學(xué)家到有效掌握數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)化成科學(xué)這一步，大約十年時(shí)間。沒(méi)有十年功夫，你能做一些皮毛的事情，但你基本上做不出最好的圖像。你可以看到圖，但不是高質(zhì)量的圖。

而且，這個(gè)是計(jì)算機(jī)工程師幾乎無(wú)關(guān)的事。他得首先是個(gè)天文學(xué)家，且要懂射電天文學(xué)，并且精通干涉成像技術(shù)。目前我們國(guó)家很多人，包括一些管理干部的理解都有很大偏差，以為數(shù)據(jù)量大找到計(jì)算機(jī)公司或者超算不就做出來(lái)了嗎？其實(shí)它不是一個(gè)簡(jiǎn)單的硬件集成，把數(shù)據(jù)往計(jì)算機(jī)里一放就可以出結(jié)果，而是需要一批精通射電干涉的天文學(xué)家。

我們國(guó)家這方面的人才比較奇缺，過(guò)去這么多年，我們用的干涉成像軟件幾乎都是國(guó)外的。

2005年，中國(guó)在新疆建設(shè)了包含1萬(wàn)個(gè)天線的陣列21CMA，為SKA做了第一步的鋪墊，就是讓我們理解了這個(gè)技術(shù)是什么，數(shù)據(jù)怎么處理。我們自己有了一個(gè)軟件，雖然沒(méi)有達(dá)到最終處理SKA數(shù)據(jù)的水平，但能把所有流程全部走完。把新疆1萬(wàn)個(gè)天線的數(shù)據(jù)變成天上的圖像，原理和未來(lái)SKA是一樣的。

雖然我們有了這樣一個(gè)很好的鋪墊，但隊(duì)伍規(guī)模仍然很小，懂得軟件的人員很少。軟件有一個(gè)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的問(wèn)題，別人給你用他的軟件不給源碼，你就改不了。所以必須有具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的軟件，才能做出第一發(fā)現(xiàn)來(lái)。數(shù)據(jù)面前人人平等，數(shù)據(jù)來(lái)了都會(huì)給各國(guó)，誰(shuí)有能力把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成科學(xué)，誰(shuí)就能取得成就。

2018年2月，SKA首臺(tái)天線樣機(jī)在河北石家莊啟動(dòng)。

記 者：你之前好像提過(guò)年輕人不愛(ài)編程？

武向平：他們不是不愛(ài)編程，他們其實(shí)特別愛(ài)編程。現(xiàn)在的年輕人愛(ài)玩計(jì)算機(jī)。但做科研又是兩碼事。做科研要真正靜下心來(lái)，比如我剛才說(shuō)一個(gè)能處理干涉圖像軟件的合格射電天文學(xué)家，從大學(xué)本科開(kāi)始培養(yǎng)大概需要十年時(shí)間。這十年時(shí)間里，你大概寫(xiě)不了多少論文，畢竟要熟悉理解每一步的細(xì)節(jié)。

但現(xiàn)在年輕人要是寫(xiě)不出論文，畢業(yè)、申請(qǐng)項(xiàng)目、評(píng)職稱、找工作都會(huì)受到影響。所以年輕人不太喜歡花很多時(shí)間去準(zhǔn)備非常基礎(chǔ)性的東西，比如編軟件，而是用現(xiàn)成的軟件寫(xiě)論文。

記 者：現(xiàn)在天文領(lǐng)域的青年科研工作者面臨哪些亟待解決的問(wèn)題？

武向平：說(shuō)句實(shí)話，我們天文學(xué)規(guī)模還是比較小，人員規(guī)模都遠(yuǎn)不及美國(guó)。現(xiàn)在不是科研經(jīng)費(fèi)不足的問(wèn)題，而是如何快速壯大隊(duì)伍的問(wèn)題。

我們國(guó)家的天文研究前景非常好。現(xiàn)在FAST快要正式開(kāi)始工作了，又加入了SKA，大口徑光學(xué)望遠(yuǎn)鏡要上馬，先進(jìn)的天文觀測(cè)衛(wèi)星也在遨游太空，這些設(shè)備在召喚青年人才，年輕人用武之地的空間相當(dāng)廣闊。