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編者按
近日，人民日?qǐng)?bào)海外版發(fā)布《在群星之間聆聽(tīng)宇宙暗語(yǔ)》文章，對(duì)中國(guó)電科支撐建設(shè)的“捕捉宇宙中重子聲學(xué)振蕩信號(hào)射電望遠(yuǎn)鏡”（BINGO）進(jìn)行了介紹，并針對(duì)BINGO項(xiàng)目設(shè)計(jì)和實(shí)施調(diào)研采訪了中國(guó)電科專家。
宇宙浩瀚，星河璀璨。現(xiàn)代宇宙學(xué)理論認(rèn)為，宇宙正在加速膨脹，而撐開(kāi)其廣碩“骨架”的巨大張力被稱為暗能量。因此，探測(cè)暗能量，揭開(kāi)其神秘面紗，將成為解密宇宙過(guò)去與未來(lái)的關(guān)鍵。
茂密的亞馬孫雨林深處，一只巨大的眼睛正惺忪地睜開(kāi)眼眸。這是由中國(guó)、巴西等國(guó)緊鑼密鼓建設(shè)的“捕捉宇宙中重子聲學(xué)振蕩信號(hào)射電望遠(yuǎn)鏡”（BINGO）。2025年9月，隨著BINGO主體結(jié)構(gòu)由中國(guó)順利運(yùn)抵巴西，設(shè)備正式進(jìn)入組裝調(diào)試階段。作為觀測(cè)宇宙中性氫氣體的大型單口徑射電天文望遠(yuǎn)鏡，BINGO建成后將通過(guò)研究氫的譜線，分析宇宙的結(jié)構(gòu)與演化，對(duì)國(guó)際空間研究具有重要作用和意義。
尋找讀懂暗能量的“標(biāo)準(zhǔn)尺”
相較于138億年的宇宙演化史，人類對(duì)暗能量的認(rèn)知尚不足30年。
早在20世紀(jì)20年代，天文學(xué)家通過(guò)紅移現(xiàn)象（光波在宇宙膨脹過(guò)程中被拉長(zhǎng)的現(xiàn)象，紅移越大，看到的就是越早期宇宙發(fā)出的光），首次發(fā)現(xiàn)了宇宙膨脹的秘密。但很長(zhǎng)一段時(shí)間里，主流觀點(diǎn)都認(rèn)為引力將逐漸減緩，甚至把所有物質(zhì)再拉回來(lái)。直到1998年，人們對(duì)Ⅰa型超新星的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)宇宙的膨脹不僅沒(méi)有減速，反而還在加速，這徹底顛覆了傳統(tǒng)的宇宙學(xué)理論。
由此，科學(xué)家系統(tǒng)構(gòu)建出新的宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型，其中一個(gè)重要突破就是引入暗能量概念。
“可以將暗能量想象成內(nèi)置于空間中的排斥力。”揚(yáng)州大學(xué)引力與宇宙學(xué)研究中心負(fù)責(zé)人王斌說(shuō)。該中心承擔(dān)BINGO項(xiàng)目的部分理論設(shè)計(jì)，還與中國(guó)電科網(wǎng)絡(luò)通信研究院聯(lián)合完成了核心設(shè)備的建造工作。
暗能量看不見(jiàn)、摸不著，人們只能通過(guò)它對(duì)宇宙整體膨脹產(chǎn)生的巨大力學(xué)效應(yīng)間接證實(shí)其存在。其中，重子聲學(xué)振蕩（BAO）技術(shù)便是最重要的方法之一。
BAO是宇宙大尺度結(jié)構(gòu)上的規(guī)則圖案。宇宙誕生初期，重子與光子構(gòu)成熾熱的“等離子湯”，在引力和輻射壓的拉扯中形成向外傳播的密度波。直到宇宙冷卻，這些波被瞬間“凍結(jié)”，在宇宙中留下的漣漪印記像一把凝固的“標(biāo)準(zhǔn)尺”。宇宙膨脹會(huì)引起B(yǎng)AO物理尺度等比例拉伸。通過(guò)測(cè)量BAO尺度變化就能推算出宇宙膨脹情況，進(jìn)而探究暗能量的性質(zhì)。
那么，如何在浩渺的宇宙時(shí)空中讀準(zhǔn)這把“標(biāo)準(zhǔn)尺”呢？
這就不得不提到一種宇宙中廣泛分布的“示蹤劑”——中性氫。
“氫元素是構(gòu)成宇宙間各種物質(zhì)最主要、最普遍的基礎(chǔ)原料。”王斌介紹，氫原子在特定能級(jí)間躍遷時(shí)，會(huì)發(fā)射或吸收一個(gè)波長(zhǎng)為21厘米的光子（射電波），這是屬于中性氫的專屬“身份證”，也是識(shí)別宇宙大尺度物質(zhì)分布的關(guān)鍵證據(jù)。
利用射電望遠(yuǎn)鏡接收不同紅移下21厘米輻射強(qiáng)度，能勾勒出跨越大量宇宙年代的中性氫地圖，進(jìn)而了解不同時(shí)期BAO尺度變化情況。
利用中性氫信號(hào)觀測(cè)宇宙
雖然中性氫信號(hào)是研究宇宙結(jié)構(gòu)和演化的有力工具。但其跨越無(wú)數(shù)光年，到達(dá)地球時(shí)已嚴(yán)重衰減，再加上各種星系及人工信號(hào)干擾，其強(qiáng)度比背景噪音低4到5個(gè)量級(jí)。
“利用中性氫信號(hào)觀測(cè)宇宙，就像在人聲鼎沸的體育場(chǎng)里，聽(tīng)清一根針掉在地上，并且還要精確測(cè)量這根針的位置。”揚(yáng)州大學(xué)引力與宇宙學(xué)研究中心教授吳健聘介紹，近年來(lái)得益于觀測(cè)設(shè)備、分離算法等技術(shù)進(jìn)步，21厘米宇宙學(xué)迎來(lái)了巨大進(jìn)步，相關(guān)研究正處在集中爆發(fā)的前夜。
2021年，由中國(guó)、巴西、英國(guó)、法國(guó)等國(guó)聯(lián)合開(kāi)展的BINGO項(xiàng)目正式啟動(dòng)。項(xiàng)目計(jì)劃由中巴共同出資，在巴西帕拉伊巴州建設(shè)一臺(tái)直徑40米的大視場(chǎng)射電望遠(yuǎn)鏡，并觀測(cè)宇宙中性氫信號(hào)。
“杳無(wú)人煙的亞馬孫雨林擁有全球極佳的電磁環(huán)境。”項(xiàng)目首席科學(xué)家之一、巴西圣保羅大學(xué)教授埃爾西·阿卜杜拉介紹，茂密的雨林和周圍山脈形成了天然屏障，還能夠阻擋和吸收來(lái)自遠(yuǎn)方的無(wú)線電噪音，為BINGO提供了良好的觀測(cè)環(huán)境。
中方由上海交通大學(xué)、揚(yáng)州大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)、中國(guó)電科網(wǎng)絡(luò)通信研究院等多家單位組成交叉學(xué)科團(tuán)隊(duì)，深度參與BINGO項(xiàng)目設(shè)計(jì)與研究。
“BINGO項(xiàng)目中國(guó)團(tuán)隊(duì)側(cè)重于通過(guò)測(cè)量和分析功率譜信號(hào)中的重子聲學(xué)振蕩信息，優(yōu)化宇宙學(xué)距離的計(jì)算方法并精確確定宇宙膨脹率，揭示暗能量和暗物質(zhì)屬性、檢驗(yàn)修改引力并測(cè)量中微子質(zhì)量。”王斌說(shuō)，在前期設(shè)計(jì)階段，中國(guó)團(tuán)隊(duì)承擔(dān)了BINGO理論模板、強(qiáng)前景干擾扣除算法以及望遠(yuǎn)鏡基礎(chǔ)設(shè)備設(shè)計(jì)與建造等核心任務(wù)。
全球近百名科研人員持續(xù)攻關(guān)
2025年6月9日，BINGO主體結(jié)構(gòu)由中國(guó)啟運(yùn)，漂洋過(guò)海奔赴巴西。
“為建造這個(gè)大型天文設(shè)備，全球近百名科學(xué)家和工程師已連續(xù)開(kāi)展了4年合作攻關(guān)。”來(lái)自巴西的拉麗莎教授加盟揚(yáng)州大學(xué)引力與宇宙學(xué)研究中心超三年，她與中方團(tuán)隊(duì)通力合作，完成了前景扣除等關(guān)鍵環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。其中，拉麗莎參與開(kāi)發(fā)的一種GNILC信號(hào)分離算法，能夠有效去除前景和噪聲，降低銀河系等輻射源干擾。
“這樣的信號(hào)波動(dòng)非常微弱，類似于從震耳欲聾的交響樂(lè)中提取出0.6分貝聲響。”吳健聘說(shuō)。
針對(duì)暗能量探測(cè)，科研團(tuán)隊(duì)對(duì)光學(xué)系統(tǒng)、設(shè)備結(jié)構(gòu)和干涉系統(tǒng)等進(jìn)行了系統(tǒng)重構(gòu)。最終，BINGO工作頻率設(shè)計(jì)為980兆赫到1260兆赫，將從空間和時(shí)間維度同時(shí)測(cè)繪宇宙三維地圖，專注觀測(cè)分析宇宙年齡9億年至今的BAO尺度變化，深入探究暗能量的物理本質(zhì)。
鋼結(jié)構(gòu)“漂洋過(guò)海”運(yùn)抵大洋彼岸后，需要由巴西方面進(jìn)行組裝。據(jù)了解，BINGO主副反射體均由4000余根鋼管和近千個(gè)螺栓球組成。該儀器還能適應(yīng)雨林的濕熱環(huán)境。
為了完成精密制造的極限挑戰(zhàn)，中國(guó)電科網(wǎng)絡(luò)通信研究院高級(jí)工程師張子乾帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)連續(xù)開(kāi)展了60天集體攻關(guān)，嘗試了37種方案，將數(shù)萬(wàn)張圖紙優(yōu)化成千余張，最終實(shí)現(xiàn)了力學(xué)、數(shù)學(xué)與美學(xué)的完美融合。
“中國(guó)制造給冷硬的鋼鐵帶來(lái)了更多驚喜。”啟運(yùn)儀式上，巴西國(guó)家空間研究院院長(zhǎng)卡洛斯·莫拉稱贊。
如今，巴西帕拉伊巴州烏魯布山脈上的BINGO主體設(shè)備靜靜矗立，基地建設(shè)已進(jìn)入攻堅(jiān)階段。這只環(huán)視宇宙的大眼睛預(yù)計(jì)將于今年啟用，數(shù)據(jù)中心建設(shè)在萬(wàn)里之外的揚(yáng)州大學(xué)，首批數(shù)據(jù)將面向全球150余所科研機(jī)構(gòu)開(kāi)放共享。
拓寬BINGO應(yīng)用范圍
快速射電暴是一種來(lái)自宇宙深處、持續(xù)時(shí)間極短但能量巨大的射電波爆發(fā)，是近年來(lái)天文學(xué)的前沿研究領(lǐng)域之一。
2025年9月，BINGO團(tuán)隊(duì)在國(guó)際天文學(xué)權(quán)威期刊《天體物理學(xué)雜志通訊》發(fā)表了一篇文章，利用BINGO模型數(shù)據(jù)分析了快速射電暴對(duì)宇宙學(xué)模型的約束。
“這項(xiàng)研究讓我們對(duì)BINGO項(xiàng)目信心倍增。”團(tuán)隊(duì)成員桑語(yǔ)說(shuō)，成果有力證明了BINGO能夠有效兼容快速射電暴觀測(cè)，進(jìn)一步拓寬了BINGO的應(yīng)用范圍。
事實(shí)上，這只是BINGO小試牛刀。BINGO專注于暗能量研究，視場(chǎng)大、巡天速度快，能夠與其他射電望遠(yuǎn)鏡形成有效互補(bǔ)。國(guó)際上主流的射電望遠(yuǎn)鏡前景扣除算法主要側(cè)重于300兆赫以內(nèi)的低頻波段，BINGO則側(cè)重關(guān)注中高頻波段信號(hào)，這意味著其是全球?yàn)閿?shù)不多的專注于探測(cè)晚期宇宙的射電望遠(yuǎn)鏡。
得益于BINGO靈敏的探測(cè)能力，未來(lái)還將給其加裝一臺(tái)相應(yīng)波段的射電發(fā)射器，讓BINGO能夠在1000公里軌道識(shí)別直徑小于0.5米的隕石或太空垃圾。
據(jù)了解，BINGO團(tuán)隊(duì)先后與FAST、“天籟”等項(xiàng)目簽訂戰(zhàn)略合作協(xié)議。未來(lái)將推進(jìn)數(shù)據(jù)共享、科研合作與人才培養(yǎng)，進(jìn)一步提升中國(guó)的宇宙學(xué)研究地位。
