21CMA观测基地

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宇宙第一缕曙光探测

追溯宇宙演化的长河,随着130亿年前大爆炸的余晖逐渐散去,宇宙曾经经历过一段漫长的黑暗时期。忽然有一天,在宇宙的深处,诞生了宇宙中的第一代发光天体,这些天体的光芒逐步照亮了整个宇宙,从此给我们的宇宙带来了蓬勃的生机。能否让人们亲自目睹宇宙从黑暗走向光明的整个过程?能否让人们看到宇宙中诞生的第一缕曙光?今天,天文学家们正在努力实现人类的这一梦想。

人们今天所能观测到的最远宇宙“边界”是大爆炸遗留下的余晖。在这些余晖冷却下来后,宇宙中主要的物质成份是暗物质、中性的氢和氦。虽然此时没有恒星的形成,但处于基态的中性氢由于自身电子和核自旋取向的不同形成了一个微小的能级差别:百万分之六电子伏特,对应光子频率1420兆赫兹或波长21厘米。所以,人们曾天真地期望黑暗时代的宇宙在21厘米是可观测的。然而,微弱的中性氢21厘米辐射很不幸地淹没在了宇宙大爆炸的余晖中,除非存在一种机制破坏中性氢21厘米辐射和宇宙大爆炸背景辐射之间的平衡 ─ 这种机制就是来自宇宙中第一代发光天体的诞生!

当宇宙中诞生的第一批恒星发射的光芒照亮了宇宙,周围的中性氢就会被电离,从而中性氢21厘米辐射与宇宙背景辐射的平衡被破坏了,我们就会真正观测到来自宇宙黑暗时代中性氢的辐射,反过来则可间接探测到宇宙中诞生的第一批发光天体并描绘出宇宙从黑暗走向光明的整个过程和第一代恒星诞生的全部历史。

由于宇宙的膨胀,发生在宇宙黑暗时代的21厘米辐射波长已经被拉伸到了米波波段,这正是电视台和调频广播的波段,所以,强大的人为干扰使得难以在地球上寻找到一片电波环境宁静的净土。同时,来自遥远宇宙的中性氢辐射温度仅相当于百分之几度的光源,这给寻找宇宙第一缕曙光的工作带来了相当大的挑战。

2003年8月,我们第一次提出了21CMA的初步方案,当即得到了国家天文台的肯定并给予了支持。我们迅速组建项目队伍,开始了西部选址工作,重点在电波环境相对干净的青海和新疆进行无线电环境和地形的测量,历时一年整。为搜集真实详尽的选址资料,建立坚实的项目基础,一年间我们先后在各地进行各种试验达上百次,克服了难以想象的各种困难。最终,综合多种因素,选定新疆巴音郭楞蒙古自治州和静县阿拉沟乡乌拉斯台地区为试验场地。

2004年8月,在天山深处人烟稀少的高原上,我们搭建了临时帐篷,开始了21CMA的一期工程建设。8月,对北京而言正是烈日炎炎,但在当地,早已进入了严寒。很快地,我们就深刻地领略了零下40度的考验。在物质极其匮乏的生活条件下,我们完成了高压线工程、光缆工程、实验室工程,同时在东西2.74公里的基线上架设23组共计2921只对数周期天线和两组254只试验天线。2005年春天,完成了23组天线的电路接线并投入试验。2005年7月开始了数据的试采集。特别值得提到,在一期工程的建设中,中国科学院白春礼院长和新疆自治区各级领导一行于2004年10月冒着风雪翻越冰达坂前往乌拉斯台看望了我们,给我们以极大的鼓励。

2005年6月初,在国家天文台艾国祥台长的进一步支持下,我们继续推进了21CMA的二期建设。至2006年1月,二期工程完成了东西基线17组和南北基线(4.1公里)40组共7366只天线的架设和调试。同时,我们建设了观测基地的生活区,使得基地科研观测人员可以从极其简陋的生活条件下走出来。

2005年10月,在白春礼院长和和科学院基础局张杰局长的亲自关怀下,基础局组织了专家组对21CMA项目进行了评审,并给予了经费支持,使得我们得以建设完成21CMA的数据接收和采集系统。

在建设硬件设备的同时,我们在数据处理软件方面同样投入了大量的人力和心血。虽然目前国际上存在十分成熟的射电望远镜综合孔径成像技术和数据处理软件(如AIPS),但21CMA由于其自身特殊性(米波波段和大视场问题),不可能照搬现有软件。我们针对21CMA的自身特殊性进行了多方探讨和尝试,在不断的学习和成长中,最终形成了自己的数据处理软件CMASOFT。目前,我们已经获得了优良的天图。

2006年10月,中国科学院基础局再次组织21CMA项目的论证会,在获得专家组高度评价的同时,基础局投资在国家天文台总部建设了21CMA的数据处理系统。至此,国家天文台和中国科学院给21CMA的经费投入达2050万元。

目前,21CMA是世界上最早开展搜寻宇宙第一缕曙光的唯一大型射电望远镜阵列。

我们知道,伴随着硬件设备的完成和软件系统的初立,更大的挑战已经出现在面前。我们可能成功,也可能失败,但我们思索、我们尝试、我们执着,我们将一如既往地沿着人类永不停歇的探索之路前进。

 

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