二、脈沖星搜尋、測時和引力理論檢驗(yàn) 

　　（供稿：李柯伽 北京大學(xué)） 

　　SKA把脈沖星觀測研究列為兩大核心科學(xué)課題之一，因?yàn)閷γ}沖星的觀測研究可以提供物質(zhì)世界運(yùn)動規(guī)律兩個核心問題的答案：1、物質(zhì)的“存在”和運(yùn)動規(guī)律； 2、物質(zhì)“存在”所占據(jù)的時空的運(yùn)動規(guī)律。對于第一個問題，常見的物質(zhì)是原子核和電子組成的，而目前原子核涉及強(qiáng)作用低能行為，其物理規(guī)律還需要進(jìn)一步探索。對于第二個問題，目前認(rèn)為：探索時空本質(zhì)，即研究引力物理規(guī)律。 

　　脈沖星是一種極端致密的天體，其密度和原子核密度相當(dāng)，是理想的宏觀強(qiáng)相互作用實(shí)驗(yàn)室。因其極端致密，脈沖星旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性與國際原子鐘組可以相媲美。通過監(jiān)測脈沖星發(fā)出的周期信號及其變化，可以直接探索脈沖星到地球之間的時空結(jié)構(gòu)，從而檢驗(yàn)描述時空的基本物理定理。 

　　三、中性氫巡天和宇宙學(xué)研究 

　　（供稿：陳學(xué)雷 中國科學(xué)院國家天文臺） 

　　現(xiàn)代宇宙學(xué)認(rèn)為宇宙起源于大爆炸，但是大爆炸究竟是怎樣發(fā)生的、大爆炸之前有沒有宇宙？占宇宙總密度95%的暗能量和暗物質(zhì)究竟是什么？這些問題仍然是有待解答的重大科學(xué)難題。平方公里陣列SKA 為觀測從大爆炸直到今日的宇宙演化過程提供了強(qiáng)有力的觀測手段，有望為解開宇宙起源、暗能量與暗物質(zhì)之謎等重大宇宙學(xué)難題提供重要線索。 

　　氫元素占宇宙普通物質(zhì)總量的76%，分布十分廣泛，通過觀測宇宙氫原子產(chǎn)生的譜線即中性氫巡天，SKA可以繪制出不同時期的宇宙三維圖像，從而展示宇宙中的物質(zhì)是怎樣在引力作用下從早期的均勻分布逐漸演化形成非均勻的星系大尺度結(jié)構(gòu)。而通過對大尺度結(jié)構(gòu)的精密測量，又可以分析暗物質(zhì)和暗能量的性質(zhì)，以及宇宙早期初始狀態(tài)的信息。此外，在這種大面積的巡天中也可以探測到大量宇宙射電源，對其分布的統(tǒng)計(jì)分析也可以為宇宙學(xué)研究提供寶貴的數(shù)據(jù)。 

　　四、宇宙磁場 

　　（供稿：孫曉暉 云南大學(xué)） 

　　宇宙中不同層次的天體，如行星、恒星、星系和星系團(tuán)，都有磁場。銀河系中大約有上千億顆恒星，在恒星之間充滿了氣體、塵埃還有磁場。磁場像粘在氣體上一樣，跟隨著氣體一起運(yùn)動。氣體一方面繞銀河系中心旋轉(zhuǎn)，另一方面隨機(jī)運(yùn)動，所以銀河系的磁場像一個復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)（如圖6）。目前的觀測發(fā)現(xiàn)銀河系磁場非常弱，強(qiáng)度大約只有地球磁場的百萬分之一，但是由于銀河系體積非常大，所以磁場的能量非常大。這么大的能量使得磁場在銀河系的演化過程中起重要作用。同時我們也想問磁場是從哪兒來的呢？又將如何演化呢？這些問題的解答需要依靠將來SKA的大規(guī)模偏振巡天觀測。 

　　五、星際介質(zhì) 

　　（供稿：朱輝 中國科學(xué)院國家天文臺） 

　　星際介質(zhì)，顧名思義就是介于恒星之間的物質(zhì)。它主要由氣體、塵埃和宇宙線組成，廣義的定義還包括輻射場和磁場。星際介質(zhì)廣泛存在于宇宙空間，密度遠(yuǎn)小于空氣（將空氣的密度稀釋10^21倍，就是星際介質(zhì)的典型密度）。但是星際介質(zhì)對于星系的重要性卻不亞于空氣對于地球的重要性。這是因?yàn)榻M成星系的基本單元—恒星就是在星際介質(zhì)中孕育的。可以說星際介質(zhì)在我們了解宇宙起源、天體起源和生命起源的過程中，占有至關(guān)重要的位置。正因?yàn)槿绱?，星際介質(zhì)的研究一直是天文學(xué)研究中的重要領(lǐng)域。射電天文學(xué)的發(fā)展史，幾乎就是一部人們對星際介質(zhì)的認(rèn)識史。從第一張銀河系射電天圖的誕生到中性氫的發(fā)現(xiàn)，再到星際有機(jī)分子的發(fā)現(xiàn)，每一次射電望遠(yuǎn)鏡觀測技術(shù)指標(biāo)的提升，都會帶來人類對星際介質(zhì)認(rèn)識的重大突破。相對于現(xiàn)有射電望遠(yuǎn)鏡，SKA無論是在靈敏度還是在分辨率上都有一個量級上的提高，因此期待它在星際介質(zhì)研究中為我們帶來新的驚喜。　　

　　六、暫現(xiàn)源探測 

　　（供稿：李菂 中國科學(xué)院國家天文臺） 

　　中子星并合引力波事件GW 170817的探測正式開啟了多信使天文學(xué)，同時也揭示了宇宙在時間維度上存在著豐富多變的爆發(fā)現(xiàn)象，包括引力波對應(yīng)體，黑洞暫現(xiàn)源，快速射電暴等等?？焖偕潆姳?/span>Fast Radio Burst，FRB）是一種來自遙遠(yuǎn)星系的射電波段最亮的頻繁的瞬間爆發(fā)現(xiàn)象，每天到達(dá)地球的可探測脈沖高達(dá)幾千至上萬次。雖然有上百種模型發(fā)表，但尚無其起源的完整、合理解釋。自2007年發(fā)現(xiàn)以來，FRB已成為射電天文領(lǐng)域最熱門的前沿，每個月都有重要的新發(fā)現(xiàn)或高影響力文章發(fā)表，多次登上《自然》、《科學(xué)》等雜志封面，孕含了致密天體物理、宇宙學(xué)、星系演化甚至基礎(chǔ)物理學(xué)重大突破的機(jī)遇。隨著各國SKA先導(dǎo)望遠(yuǎn)鏡的上線，已有上千個FRB被發(fā)現(xiàn)。我國的FAST望遠(yuǎn)鏡是世界上最靈敏的望遠(yuǎn)鏡，是對FRB開展深入觀測的利器，目前已經(jīng)取得了新射電暴，新重復(fù)暴，重要爆發(fā)源的最大脈沖樣本等重要結(jié)果，多篇文章投稿或撰寫中。利用我國設(shè)備的特有優(yōu)勢，深度觀測FRB，組織國際國內(nèi)多波段設(shè)備協(xié)同觀測FRB及黑洞暫現(xiàn)源，搶先取得成果，為競爭SKA相關(guān)課題奠定基礎(chǔ)。 

　　七、活動星系核和黑洞 

　　（供稿：袁峰 上海天文臺） 

　　宇宙中幾乎每個星系中心都存在一個超大黑洞，黑洞周圍的氣體在黑洞引力的作用下會往黑洞下落形成吸積盤，在此過程中會發(fā)出強(qiáng)烈的輻射和物質(zhì)外流（包括噴流和風(fēng)）。這樣的星系核因此被稱為“活動星系核”。這些輻射和物質(zhì)外流在星系中能夠傳播得很遠(yuǎn)，并與星系中的星際氣體發(fā)生相互作用，改變氣體的溫度、密度、分布等物理狀態(tài)。氣體物理狀態(tài)的改變會影響恒星形成的快慢以及多少，因此影響整個星系的演化，這就是所謂的“活動星系核反饋”，目前被廣泛認(rèn)為可能是解決星系演化研究中遇到的一系列疑難問題的關(guān)鍵，是目前天體物理研究中最前沿的課題之一。 

　　八、中性氫星系動力學(xué)和演化 

　　（供稿：朱明 中國科學(xué)院國家天文臺） 

　　星系的形成和演化是本世紀(jì)最關(guān)鍵的天體物理課題之一。氫是宇宙最豐富的元素，中性氫（HI）是星系的基本組成成分，星系的形成是由中性氫云團(tuán)在引力作用下塌縮而開始的，而星系演化的過程就是中性氣體不斷冷卻變密形成分子氣體進(jìn)而塌縮形成恒星的過程。因此，研究宇宙中中性氫的含量和分布及其隨時間的演化是我們了解星系成長的物理過程的主要手段。另一方面，中性氫遍布于整個星系，尤其是在星系外圍，已經(jīng)看不到星光的地方，還有大量中性氫氣體。通過中性氫觀測可以看到很多肉眼看不到的現(xiàn)象。中性氫分布極易受外力的影響，分析中性氫氣體的運(yùn)動規(guī)律可以揭示其背后控制氣體運(yùn)動的秘密。例如看到下圖中旋渦星系的旋臂結(jié)構(gòu)我們知道星系在旋轉(zhuǎn)。但旋轉(zhuǎn)得快的時候，如果沒有足夠的引力，氣體應(yīng)該被離心力甩出星系?？墒怯^測卻不是這樣的。因此天文學(xué)家猜想星系中存在一些看不見的物質(zhì)，提供了額外的引力，從而保證了星系中的中性氫氣體不散開。這些看不見的物質(zhì)就是“暗物質(zhì)”。中性氫動力學(xué)的研究目的就是通過定量分析氣體圍繞星系轉(zhuǎn)動的旋轉(zhuǎn)曲線來揭示星系中的暗物質(zhì)分布。此外，在星系團(tuán)環(huán)境中通過中性氫觀測可以探測到星系相互作用遺留下來的痕跡，揭示外部環(huán)境對星系演化的作用。 

　　九、生命的搖籃 

　　（供稿：張泳 中山大學(xué)） 

　　人類從古至今都在不停思索生命的起源。自從徹底摒棄“地心說”后，人們越來越沮喪地發(fā)現(xiàn)我們的地球只是宇宙中一顆毫不起眼的天體，那么，宇宙中是否還存在能夠孕育生命的地方呢？這些生命是否能夠像人類一樣進(jìn)化出高級文明呢？我們究竟從何而來？對這些問題的拷問，在哲學(xué)、社會、宗教等領(lǐng)域有深刻的意義。在宇宙中簡單的原子分子最終形成孕育生命形成的星球，太空環(huán)境中復(fù)雜有機(jī)分子最終形成生命，這個過程到中到底何種因素起著決定性作用，這是科學(xué)家希望利用新一代望遠(yuǎn)鏡回答的問題。人類幾千年的文明和宇宙演化時間相比只是一瞬間，近百年科技飛速發(fā)展催生的病毒和能源危機(jī)成為摧毀人類文明的潛在威脅。如果在茫茫宇宙中，我們能夠接收到另一個高級文明發(fā)出的信號，這將給人類信心，能夠如此文明一樣戰(zhàn)勝危機(jī)讓地球文明長期持續(xù)下去。我們可能正處于摒棄生命科學(xué)的“地心說”的時代。 

　　十、超高能宇宙射線低頻探測 

　　（供稿：黃滟 中國科學(xué)院國家天文臺） 

　　浩瀚的宇宙遠(yuǎn)沒有看起來這般平靜，各種天體的劇烈活動產(chǎn)生了大量的高能宇宙粒子，每時每刻，都有成千上萬個來自宇宙深處的高能粒子和中微子轟擊著地球，提供了天然的和零成本的高能粒子加速器。這些高能宇宙粒子和中微子作為極端宇宙的獨(dú)特信使，承載重要的宇宙信息。 

　　長期以來，人們研究高能宇宙射線都是借助于探測器手段（如LHAASO）。利用低頻無線電手段探測高能宇宙射線是近年來隨著數(shù)字化和計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展而應(yīng)運(yùn)而生的新手段，巨大地降低了造價，提高了靈敏度，具有廣泛應(yīng)用前景。 

　　利用低頻射電方法來探測高能宇宙射線被列為SKA的前瞻科學(xué)目標(biāo)之一，SKA為此專門設(shè)立了“高能宇宙粒子”焦點(diǎn)工作組。SKA1-low 的高密集核心布設(shè)提供了探測高能宇宙射線產(chǎn)生的低頻無線電輻射的絕佳機(jī)會。另外，利用SKA1-mid 的靈敏度優(yōu)勢，將會首次在月面上觀測到高能宇宙中微子和高能宇宙射線與月面的作用。 

　　結(jié)束語： 

　　目前中國SKA確立的十個科學(xué)研究方向與國際SKA1科學(xué)目標(biāo)高度契合。然而，這種高度的契合一方面意味著我們選擇的正確，但另一方面卻意味著巨大的挑戰(zhàn)：未來，我們將要在SKA的國際合作和競爭中求發(fā)展，生存環(huán)境將會變得更加具有挑戰(zhàn)性，科學(xué)的第一發(fā)現(xiàn)將更需要雄厚的實(shí)力作保障。在此復(fù)雜背景下，我們將迎接SKA帶來的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，不負(fù)重托，努力開拓前沿科學(xué)領(lǐng)域，追求卓越科學(xué)目標(biāo)，力爭取得豐碩的科學(xué)回報(bào)，在探知神秘宇宙中創(chuàng)造奇跡和輝煌！