張 運 虞 璐

建成后的BINGO主體部分(概念圖)。 資料照片

宇宙浩瀚，星河璀璨?，F(xiàn)代宇宙學(xué)理論認(rèn)為，宇宙正在加速膨脹，而撐開其廣碩“骨架”的巨大張力被稱為暗能量。因此，探測暗能量，揭開其神秘面紗，將成為解密宇宙過去與未來的關(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眼眸。這是由中國、巴西等國緊鑼密鼓建設(shè)的“捕捉宇宙中重子聲學(xué)振蕩信號射電望遠(yuǎn)鏡”(BINGO)。2025年9月，隨著BINGO主體結(jié)構(gòu)由中國順利運抵巴西，設(shè)備正式進(jìn)入組裝調(diào)試階段。作為觀測宇宙中性氫氣體的大型單口徑射電天文望遠(yuǎn)鏡，BINGO建成后將通過研究氫的譜線，分析宇宙的結(jié)構(gòu)與演化，對國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)家通過紅移現(xiàn)象(光波在宇宙膨脹過程中被拉長的現(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。但很長一段時間里，主流觀點都認(rèn)為引力將逐漸減緩，甚至把所有物質(zhì)再拉回來。直到1998年，人們對Ⅰa型超新星的觀測發(fā)現(xiàn)宇宙的膨脹不僅沒有減速，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。”揚州大學(xué)引力與宇宙學(xué)研究中心負(fù)責(zé)人王斌說。該中心承擔(dān)BINGO項目的部分理論設(shè)計，還與中國電科網(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、摸不著，人們只能通過它對宇宙整體膨脹產(chǎn)生的巨大力學(xué)效應(yīng)間接證實其存在。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”。宇宙膨脹會引起B(yǎng)AO物理尺度等比例拉伸。通過測量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，氫原子在特定能級間躍遷時，會發(fā)射或吸收一個波長為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)而了解不同時期BAO尺度變化情況。

利用中性氫信號觀測宇宙

雖然中性氫信號是研究宇宙結(jié)構(gòu)和演化的有力工具。但其跨越無數(shù)光年，到達(dá)地球時已嚴(yán)重衰減，再加上各種星系及人工信號干擾，其強度比背景噪音低4到5個量級。

“利用中性氫信號觀測宇宙，就像在人聲鼎沸的體育場里，聽清一根針掉在地上，并且還要精確測量這根針的位置。”揚州大學(xué)引力與宇宙學(xué)研究中心教授吳健聘介紹，近年來得益于觀測設(shè)備、分離算法等技術(shù)進(jìn)步，21厘米宇宙學(xué)迎來了巨大進(jìn)步，相關(guān)研究正處在集中爆發(fā)的前夜。

2021年，由中國、巴西、英國、法國等國聯(lián)合開展的BINGO項目正式啟動。項目計劃由中巴共同出資，在巴西帕拉伊巴州建設(shè)一臺直徑40米的大視場射電望遠(yuǎn)鏡，并觀測宇宙中性氫信號。

“杳無人煙的亞馬孫雨林擁有全球極佳的電磁環(huán)境。”項目首席科學(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自遠(yuǎn)方的無線電噪音，為BINGO提供了良好的觀測環(huán)境。

中方由上海交通大學(xué)、揚州大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中國科學(xué)院上海天文臺、中國電科網(wǎng)絡(luò)通信研究院等多家單位組成交叉學(xué)科團(tuán)隊，深度參與BINGO項目設(shè)計與研究。

“BINGO項目中國團(tuán)隊側(cè)重于通過測量和分析功率譜信號中的重子聲學(xué)振蕩信息，優(yōu)化宇宙學(xué)距離的計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、檢驗修改引力并測量中微子質(zhì)量?！蓖醣笳f，在前期設(shè)計階段，中國團(tuán)隊承擔(dān)了BINGO理論模板、強前景干擾扣除算法以及望遠(yuǎn)鏡基礎(chǔ)設(shè)備設(shè)計與建造等核心任務(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)由中國啟運，漂洋過海奔赴巴西。

“為建造這個大型天文設(shè)備，全球近百名科學(xué)家和工程師已連續(xù)開展了4年合作攻關(guān)?！眮碜园臀鞯睦惿淌诩用藫P州大學(xué)引力與宇宙學(xué)研究中心超三年，她與中方團(tuán)隊通力合作，完成了前景扣除等關(guān)鍵環(huán)節(jié)的設(shè)計和優(yōu)化。其中，拉麗莎參與開發(fā)的一種GNILC信號分離算法，能夠有效去除前景和噪聲，降低銀河系等輻射源干擾。

“這樣的信號波動非常微弱，類似于從震耳欲聾的交響樂中提取出0.6分貝聲響?！眳墙∑刚f。

針對暗能量探測，科研團(tuán)隊對光學(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)計為980兆赫到1260兆赫，將從空間和時間維度同時測繪宇宙三維地圖，專注觀測分析宇宙年齡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?！边\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)，中國電科網(wǎng)絡(luò)通信研究院高級工程師張子乾帶領(lǐng)團(tuán)隊連續(xù)開展了60天集體攻關(guān)，嘗試了37種方案，將數(shù)萬張圖紙優(yōu)化成千余張，最終實現(xiàn)了力學(xué)、數(shù)學(xué)與美學(xué)的完美融合。

“中國制造給冷硬的鋼鐵帶來了更多驚喜?！眴⑦\儀式上，巴西國家空間研究院院長卡洛斯·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)入攻堅階段。這只環(huán)視宇宙的大眼睛預(yù)計將于今年啟用，數(shù)據(jù)中心建設(shè)在萬里之外的揚州大學(xué)，首批數(shù)據(jù)將面向全球150余所科研機構(gòu)開放共享。

拓寬BINGO應(yīng)用范圍

快速射電暴是一種來自宇宙深處、持續(xù)時間極短但能量巨大的射電波爆發(fā)，是近年來天文學(xué)的前沿研究領(lǐng)域之一。

2025年9月，BINGO團(tuán)隊在國際天文學(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宇宙學(xué)模型的約束。

“這項研究讓我們對BINGO項目信心倍增。”團(tuán)隊成員桑語說，成果有力證明了BINGO能夠有效兼容快速射電暴觀測，進(jìn)一步拓寬了BINGO的應(yīng)用范圍。

事實上，這只是BINGO小試牛刀。BINGO專注于暗能量研究，視場大、巡天速度快，能夠與其他射電望遠(yuǎn)鏡形成有效互補。國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，這意味著其是全球為數(shù)不多的專注于探測晚期宇宙的射電望遠(yuǎn)鏡。

得益于BINGO靈敏的探測能力，未來還將給其加裝一臺相應(yīng)波段的射電發(fā)射器，讓BINGO能夠在1000公里軌道識別直徑小于0.5米的隕石或太空垃圾。

據(jù)了解，BINGO團(tuán)隊先后與FAST、“天籟”等項目簽訂戰(zhàn)略合作協(xié)議。未來將推進(jìn)數(shù)據(jù)共享、科研合作與人才培養(yǎng)，進(jìn)一步提升中國的宇宙學(xué)研究地位。