先進亞毫米波望遠鏡前沿科學與關鍵技術

亞毫米波段作為天文觀測的一個重要窗口, 蘊涵著諸多前沿的重大科學問題, 如: 宇宙再電離及高紅移星系普查、宇宙生命起源、黑洞等. 在國際亞毫米波天文如火如荼開展的阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波陣列(Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, ALMA)時代, 在基于事件視界望遠鏡(Event Horizon Telescope, EHT)和下一代事件視界望遠鏡(next generation Event Horizon Telescope, ngEHT)所形成的國際合作越來越緊密之際, 我國亞毫米波天文領域的中堅科研力量, 研判國際競爭新格局, 分析急迫需要和長遠需求, 初步形成我國亞毫米波天文發(fā)展的設想謀劃; 并以此為指導, 發(fā)揮我國地域優(yōu)勢、技術優(yōu)勢、人才優(yōu)勢, 以前沿科學問題為牽引, 穩(wěn)步推進亞毫米波天文設施建設; 力爭形成以國際先進的觀測設施為支撐, 先端儀器設備研制與重大科學問題研究并駕齊驅的發(fā)展格局.
1 亞毫米波天文發(fā)展現狀與趨勢

天文學作為一門以觀測為主要研究手段的科學, 其學科發(fā)展的核心競爭力密切依賴于先進的觀測設施與科學儀器. 而天文觀測對設備和方法的極端要求, 又使其成為眾多技術發(fā)展的助推劑. 因此, 先進觀測設施的提前布局與建設,不僅能促使重大科學問題的發(fā)現與解決, 還有望引領交叉學科或產業(yè)的快速發(fā)展.

自20世紀60年代的四大天文發(fā)現以來, 射電天文給歷史悠久的天文學注入了新的活力. 亞毫米波位于高頻射電的部分, 相較于以米波和厘米波為代表的低頻射電, 它具有更短的波長, 處于電子學向光子學過渡的區(qū)域. 加之地球大氣層對亞毫米波天文信號的強烈吸收, 使亞毫米波地面觀測設施的建設面臨更大挑戰(zhàn), 包括: 更嚴苛的站址條件, 更高加工精度的天線, 更靈敏的探測終端等. 然而, 挑戰(zhàn)也意味著先機, 亞毫米波作為一個可以“穿透塵埃、回望過去”的天文譜段, 蘊藏著黑洞影像、星系起源與演化、宇宙生命起源以及恒星和行星形成等諸多重大科學問題.

發(fā)達國家已經建設了一系列亞毫米波天文望遠鏡, 并產出了舉世矚目的科學成果. 較為典型的代表有早期亞毫米波星系的發(fā)現, 到后來原行星盤的精細結構, 直至黑洞成像等. 在以ALMA為代表的大型陣列繼續(xù)引領高分辨率觀測相關科學的當下, 現有亞毫米波單鏡能力已凸顯局限, 無法滿足快速發(fā)展的天文觀測需求. 面對這樣的現狀, 天文學家意識到兼具高靈敏度和大視場, 擁有快速巡天優(yōu)勢的大型單口徑亞毫米波望遠鏡建設已成為未來發(fā)展的必然趨勢. 于是, 歐美國家正在以天文學和物理學的前沿科學問題為牽引, 布局打造以大型亞毫米波望遠鏡(the Large Submillimeter Telescope, LST)和阿塔卡馬大口徑亞毫米望遠鏡(Atacama Large Aperture Submillimeter Telescope, AtLAST)為代表的下一代大型亞毫米波單口徑觀測設施.

而在國內, 相比于光學觀測設施的建設, 射電天文的設備發(fā)展起步較晚. 但從20世紀末期開始, 也已經陸續(xù)建成了以南山26米、德令哈13.7米、天馬65米等為代表的一批射電天文望遠鏡. 特別是, 中國天眼(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope, FAST)的建成更是將我國低頻射電天文觀測能力一舉推進到國際領先的地位. 然而遺憾的是, 目前我國的射電天文望遠鏡的工作頻段主要集中在以米波和厘米波為主的低頻射電譜段, 頻率最高的13.7米毫米波望遠鏡也僅僅工作在3毫米波段. 由上海師范大學負責從夏威夷移址智利的LCT (Leton Chajnantor Telescope)亞毫米波望遠鏡, 也在移址搬遷、安裝調試過程中. 可以說, 我國可常規(guī)運行的亞毫米波天文觀測設施當前為空白.

2 前沿科學與關鍵技術

雖然我們尚未具有成熟的亞毫米波天文觀測設備, 但自從20世紀90年代中國科學院射電天文重點實驗室(Key Laboratory for Radio Astronomy, KLRA)建成以來, 依托KLRA的亞毫米波天文技術儲備、臺址勘察及人才隊伍建設等方面的工作卻從未停止過. 同時, 我國也一直積極參與國際大項目的合作, 例如: 當前最大的地面天文觀測裝置ALMA和最早的亞毫米波望遠鏡陣列(Sub-Millimeter Array, SMA), 其早期建設階段都有我國(紫金山天文臺)在超導接收機等方面的實質性技術貢獻和人員參與貢獻. 在上述工作基礎上, 過去幾年我國亞毫米波天文隊伍也多次論證梳理了亞毫米波段, 特別是針對未來我國可能的亞毫米波天文望遠鏡建設過程中, 將要面向的前沿科學問題和面臨的關鍵技術挑戰(zhàn).

總體上, 作為國際一流/領先的亞毫米波天文觀測裝置, 特別是未來可能建設的大口徑單天線亞毫米波望遠鏡, 具有極為重要的科學價值. 它將覆蓋宇宙學、大尺度結構、星系團、星系、分子云、恒星、行星、黑洞等多個天文學的重要領域. 在亞毫米波段, 值得我們期待的先進科學目標至少有十幾個, 比如: 黑洞影像, 在目前已經拍到的兩張黑洞照片基礎上, 獲取更高分辨率的圖像甚至動態(tài)影像; 宇宙的第一縷曙光, 發(fā)現早期宇宙中大質量、高恒星形成星系, 測定其紅移和空間分布, 獲得統(tǒng)計信息, 驗證宇宙演化模型; 亞毫米波巡天; 星系團與宇宙學, 尤其是利用星系團研究宇宙膨脹; 宇宙恒星形成率密度和重子物質比例演化的精確測定; 星系演化過程中的諸多問題, 特別是高紅移極端星系的形成與死亡; 近鄰宇宙中的星際介質與恒星形成; 星系周介質與星系的重子物質循環(huán); 分子云和星際磁場; 原行星盤、殘余盤、系外行星和生命起源; 亞毫米波時域天文; 等等.

亞毫米波望遠鏡的建設和學科的發(fā)展, 除了重大科學目標的牽引, 還離不開關鍵技術的積累和臺址條件的資源. 亞毫米波天文觀測對臺址條件的要求極為苛刻, 需要高海拔、低水汽、遠離人類生活區(qū)等極端條件, 放眼全球, 亞毫米波優(yōu)良臺址也僅有智利高原、南北極高地和我國青藏高原等為數不多的選擇. 所以, 我國獨有的青藏高原亞毫米波稀缺優(yōu)良臺址資源, 充分具備戰(zhàn)略價值, 尤其是青藏高原地理位置將為全球亞毫米波甚長基線干涉(very-long-baseline interferometry, VLBI)提供獨特站點, 實現重要干涉基線范圍的覆蓋. 此外, 亞毫米波天文觀測的實現, 還需要依賴具有極高靈敏度的探測手段, 目前的國際主流科學儀器均為基于低溫超導的探測技術. 國際亞毫米波/太赫茲天文望遠鏡上主要的探測儀器包括相干探測和非相干探測兩大類, 其中相干探測技術有超導隧道結(superconductor-insulator-superconductor, SIS)混頻技術、超導熱電子(hot-electron bolometer, HEB)混頻技術, 非相干探測技術有超導動態(tài)電感探測技術(kinetic inductance detector, KID)、超導相變邊緣探測技術(transition-edge sensor, TES). 我國擁有自主且國際前沿的上述4種太赫茲探測關鍵核心技術, 紫金山天文臺技術團隊從仿真設計、到芯片制備、再到特性表征與系統(tǒng)集成, 全部自主可控, 所具備的超導探測核“芯”技術與研究團隊具有雄厚的實力, 這些都將成為支撐強大設施的尖端利器.

3 機遇與發(fā)展

綜上所述, 當前是我國發(fā)展亞毫米波天文的重要窗口期和戰(zhàn)略機遇期, 主要來自三個方面. (1) 迫切需求: 我國亞毫米波科學觀測目前主要依賴國外望遠鏡, 常規(guī)運行的亞毫米波天文觀測設施為零, 該領域的科學成果產出一定程度上受制于人, 若不加快布局建設, 未來也將持續(xù)性缺乏競爭力; (2) 地域優(yōu)勢: 全球衛(wèi)星數據分析顯示, 我國西部高原大范圍存在類比于智利阿塔卡馬的全球最佳亞毫米波臺址; (3) 技術自主: 從臺址勘察、到天線設計與加工、再到主流探測終端的研制, 關鍵核心技術全部自主可控, 具備全自主建設的核心競爭力, 同時還具有從科學到技術的完整、可持續(xù)發(fā)展的一流人才隊伍. 鑒于此, 經前期研討、論證, 擬對我國亞毫米波天文的未來發(fā)展作如下設想和初步規(guī)劃.

首先, 在我國青藏高原選擇并完善專業(yè)的亞毫米波天文設施建設候選臺址長周期勘察數據與分析, 以及配套支撐建設; 并在此基礎上, 建設一臺15米口徑的亞毫米波天文望遠鏡, 搭載単像元或多波束超導混頻接收機、多色偏振相機和國際前沿的寬帶層析成像譜儀等先進探測終端, 工作頻段覆蓋85~500GHz多個頻率窗口, 視臺址條件可考慮增加660GHz觀測窗口. 該望遠鏡一旦完成建設,將以同時具備15米口徑的天線、高達500GHz甚至660GHz的工作頻段及國際領先的探測終端等指標, 成為國際一流的亞毫米波單口徑地面觀測設備. 此項工作由中國科學院紫金山天文臺牽頭, 已經啟動; 目前候選臺址確定為位于青海省海西州德令哈市的雪山牧場A點, 海拔4820m, “雪山牧場15米亞毫米波望遠鏡(Xueshanmuchang 15-m SubMillimeter Telescope, XSMT)項目”也已于2022年2月由中國科學院紫金山天文臺自主部署立項, 進展順利.

其次, 在15米望遠鏡的建設基礎上, 盡早部署未來50米級大型亞毫米波單天線望遠鏡, 配備多波束超導外差接收機、大規(guī)模多色偏振陣列相機和寬帶成像譜儀等探測終端, 工作頻段覆蓋85~500GHz(上限視臺址可調). 該設施的觀測能力將比目前國際最好的亞毫米望遠鏡提高至少10倍, 成為國際最大、最先進的亞毫米單天線望遠鏡. 同時, 推動中國南極昆侖站亞毫米波/太赫茲望遠鏡建設, 特別是高頻段、高分辨率干涉設備與觀測. 在地域上, 雪山牧場、南極內陸、智利LCT望遠鏡臺址與國際其他亞毫米波望遠鏡形成甚長基線干涉, 并與未來幾年將要發(fā)射的中國空間站巡天望遠鏡太赫茲譜儀構成空地一體化亞毫米波/太赫茲探測新格局.

總的來看, 面向2035科技強國的新目標、新任務, 我國亞毫米波天文領域需要聚焦前沿科學問題, 利用西部和南極獨特的稀缺臺址資源, 充分發(fā)揮我國在亞毫米波探測器技術方面的技術優(yōu)勢, 團結全國亞毫米波天文領域的科研隊伍, 提前布局, 預先攻關, 逐步推進我國亞毫米波天文觀測設施的建設. 設施建設的科學目標將聚焦21世紀重大科學問題, 同時在技術方面則有望沖破壁壘, 實現關鍵核心技術的變革性突破. 這不僅能提升我國天文學在國際天文領域的競爭力, 相關技術還將推動未來通信、生物醫(yī)學、大氣科學等多個領域的發(fā)展, 對我國科技進步和經濟發(fā)展具有重要意義.

【作者簡介】

李婧 , 中國科學院紫金山天文臺臺務委員, 南極天文和射電天文研究部主任, 毫米波和亞毫米波技術實驗室首席科學家. 現任中國空間站巡天望遠鏡太赫茲譜儀副主任設計師, 紫金山天文臺“十四五”主攻方向領軍人才, 中國天文學會理事. 曾獲中國青年女科學家獎、騰訊“科學探索獎”等. 主要從事亞毫米波/太赫茲超導探測器的物理特性、芯片技術、系統(tǒng)集成和天文應用研究.

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李婧. 先進亞毫米波望遠鏡前沿科學與關鍵技術. 科學通報, 2025, 70(7): 785–788