“21厘米宇宙學(xué)”新望遠(yuǎn)鏡開建 揭示暗能量奧秘

科學(xué)研究表明，與人類熟知的能量形式不同，暗能量占據(jù)全部宇宙的七成左右，是宇宙加速膨脹的最大推手。然而，這種謎一般的存在，如何獲取天文觀測(cè)證據(jù)?

北京時(shí)間7月6日晚，國(guó)際合作宇宙學(xué)項(xiàng)目BINGO全球啟動(dòng)，成為在宏偉科學(xué)目標(biāo)驅(qū)動(dòng)下實(shí)施的大科學(xué)裝置項(xiàng)目。記者了解到，這項(xiàng)計(jì)劃獲得巴西、英國(guó)、法國(guó)、瑞士及中國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金委重點(diǎn)項(xiàng)目支持。其中，來(lái)自中國(guó)的上海交通大學(xué)、揚(yáng)州大學(xué)和中國(guó)電科網(wǎng)絡(luò)通信研究院等為核心參與單位，將與全球科學(xué)家一起建造用于觀測(cè)來(lái)自深空的中性氫氣體的射電望遠(yuǎn)鏡，揭示大宇宙結(jié)構(gòu)和暗能量奧秘。

選址巴西無(wú)人區(qū)

BINGO項(xiàng)目由一連串英文單詞的首字母組成，其核心詞組為“中性氫氣體觀測(cè)”?？梢?，其試圖捕獲的“關(guān)鍵物證”，正是宇宙中大量存在的中性氫氣體。

這些氣體中的氫原子，在基態(tài)能級(jí)超精細(xì)結(jié)構(gòu)之間的躍遷，會(huì)產(chǎn)生電磁波波長(zhǎng)為21厘米的線輻射，也就是“中性氫21厘米線”，成為研究宇宙結(jié)構(gòu)和演化的強(qiáng)有力工具。“21厘米宇宙學(xué)”應(yīng)運(yùn)而生，標(biāo)志著研究宇宙大尺度結(jié)構(gòu)、暗物質(zhì)和暗能量的嶄新時(shí)代即將全面開啟。

21厘米宇宙學(xué)觀測(cè)中所面臨的一大挑戰(zhàn)就是“強(qiáng)前景”的干擾。這些前景干擾來(lái)自人工的無(wú)線電發(fā)射裝置，以及銀河系和銀河系外眾多星系中的黑洞，其強(qiáng)度比21厘米線的信號(hào)強(qiáng)至少4到5個(gè)數(shù)量級(jí)。目前，無(wú)論是射電天文界還是信號(hào)處理領(lǐng)域，均無(wú)應(yīng)對(duì)如此嚴(yán)重強(qiáng)干擾的經(jīng)驗(yàn)。因此，BINGO項(xiàng)目的大型單口徑射電望遠(yuǎn)鏡，臺(tái)址選擇在杳無(wú)人煙的巴西Paraiba地區(qū)，靠近亞馬遜森林，最大限度消除人工電磁信號(hào)源干擾。

側(cè)重研究大爆炸以來(lái)

國(guó)際上已經(jīng)建成和正在設(shè)計(jì)建造的一系列大型射電望遠(yuǎn)鏡，都瞄準(zhǔn)21厘米宇宙學(xué)。近年來(lái)，包括我國(guó)的500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡(FAST)在內(nèi)，數(shù)個(gè)單口徑天文望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目先后加入21厘米宇宙學(xué)領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)。與BINGO項(xiàng)目相似，這一類射電設(shè)施有其自身優(yōu)點(diǎn)，能夠相對(duì)快速地進(jìn)行巡天觀測(cè)。

目前，BINGO項(xiàng)目也是國(guó)際“平方公里陣(SKA)”項(xiàng)目的探路者計(jì)劃之一。與其他探路者項(xiàng)目相比，BINGO項(xiàng)目側(cè)重于研究宇宙開始加速膨脹后，也就是宇宙大爆炸后90億年以來(lái)，有希望通過(guò)有效研究重子聲學(xué)振蕩現(xiàn)象，揭示暗能量的物理本質(zhì)。

BINGO項(xiàng)目現(xiàn)由巴西圣保羅大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)、英國(guó)倫敦大學(xué)學(xué)院、瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院以及中國(guó)團(tuán)隊(duì)所在的各單位參與。項(xiàng)目首席科學(xué)家、巴西科學(xué)院院士、巴西圣保羅大學(xué)Abdalla教授表示，暗能量的本質(zhì)是當(dāng)代自然科學(xué)研究中的重大難題，也是極有可能孕育新物理發(fā)現(xiàn)的最前沿科研問(wèn)題之一。“通過(guò)BINGO項(xiàng)目，人類將能在更好的尺度和精度上獲得重子聲學(xué)振蕩等現(xiàn)象的物理信息，將對(duì)宇宙膨脹歷史以及暗能量本質(zhì)的認(rèn)識(shí)提升到一個(gè)全新階段。”

中國(guó)三方團(tuán)隊(duì)擔(dān)重任

目前，中國(guó)團(tuán)隊(duì)承擔(dān)BINGO理論模板、強(qiáng)前景干擾扣除算法以及望遠(yuǎn)鏡基建等核心任務(wù)，由上海交大教授王斌擔(dān)任國(guó)際合作項(xiàng)目的共同首席科學(xué)家。不僅上海交大航空航天學(xué)院參與其中，物理天文學(xué)院和電子信息與電氣工程學(xué)院也長(zhǎng)期合作，聯(lián)合建立一支低頻射電天文研究團(tuán)隊(duì)，致力于發(fā)展強(qiáng)干擾條件下極微弱天文信號(hào)的識(shí)別和提取。

揚(yáng)州大學(xué)引力與宇宙學(xué)中心聚集了多國(guó)青年才俊，結(jié)合觀測(cè)開展有特色的宇宙大尺度結(jié)構(gòu)研究和與BINGO相關(guān)的科學(xué)預(yù)研究，已成為國(guó)內(nèi)引力與宇宙學(xué)研究重要基地之一。中國(guó)電科網(wǎng)絡(luò)通信研究院(原電子工業(yè)部54所)負(fù)責(zé)BINGO射電望遠(yuǎn)鏡的鏡面設(shè)計(jì)與制造，并優(yōu)化設(shè)計(jì)接收喇叭天線。(記者 徐瑞哲)

關(guān)鍵詞： 21厘米宇宙學(xué) 望遠(yuǎn)鏡 暗能量 大爆炸