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【中國青年報】大海撈針!“中國天眼”搜索脈沖星有多難?

發表日期:2021-01-14來源:放大 縮小

  隨著昔日“射電之王”阿雷西博射電望遠鏡的坍塌,全世界只剩下一只射向宇宙的“大眼睛”——“中國天眼”500米口徑球面射電望遠鏡FAST。

  作爲世界最大單口徑的射電望遠鏡,FAST自2016年竣工以來,就表現出“極強的靈敏度”,截至目前,基于FAST數據發現的脈沖星超過240顆,在同一時間段位居世界第一。

  鮮爲人知的是,這些脈沖星發現的曆程,如大海撈針一般困難。中科院國家天文台FAST工程總工程師姜鵬給出這樣一組數據:FAST在2018年觀測時,峰值數據率每秒就可以達到38G。其産生的海量數據,給FAST團隊帶來了巨大挑戰。

  2021年1月8日,全球范围内规模最大、参与人数最多的大学生超算赛事——2020-2021 ASC世界大学生超算竞赛初赛结束,来自全球各大高校的参赛队伍在过去两个月的时间内,所做的就是利用超级计算机向FAST的海量数据发起“进攻”,完成了一项尖端科学的挑战——脉冲星搜索。

  中國科學院國家天文台博士牛佳瑞說,脈沖星是近現代天文學、物理學領域的前沿研究課題。諾貝爾物理學獎曾兩度授予脈沖星相關發現,而近兩年關于引力波發現、黑洞證實等榮獲諾貝爾物理學獎的重大突破,也與脈沖星研究有著直接或間接的關系。脈沖星的研究,因此備受矚目。

  脈沖星搜索,是開啓脈沖星研究的第一步。據牛佳瑞介紹,目前人類已經發現3000余顆脈沖星,但這僅僅是全部脈沖星的一小部分。脈沖星遙遠而致密,人們無法像夜晚看星星那樣看到脈沖星,需要借助天文望遠鏡。而天文望遠鏡探測脈沖星,本質上是探測脈沖星發出的輻射信號。

  牛佳瑞說,脈沖星搜索非常困難,背後有兩大原因:一是在地球和周圍的環境中,存在大量的射頻幹擾,這些幹擾比脈沖星信號強得多,如何識別消除它們是脈沖星搜尋的大問題;二是觀測數據量龐大,FAST觀測脈沖星每秒會産生3GB數據,月數據量達到了PB量級,這樣大量的數據既難于處理,又難以儲存。爲了能夠及時分析FAST産生的龐大數據,科學家需要使用性能強大的超級計算機對觀測數據進行處理。

  此外,軟件的優化也尤爲必要。脈沖星搜索開源軟件PRESTO,就是當前科學家主要使用的核心工具軟件之一,其主要設計目的是從對球狀星團的長距離觀測中,有效地搜索毫秒脈沖星。據統計,在過去的幾十年裏,利用望遠鏡發現的3000多顆脈沖星中,有700多顆是借助PRESTO發現的。

  在ASC20-21初賽中,年輕大學生要做的,就是在功耗3000瓦約束的超算平台上,從FAST真實的觀測數據中,准確尋找到脈沖星候選體,並且要對PRESTO運行過程進行分析和優化,盡可能地降低計算時間和所需資源。

  “這將是對大學生從理論到實踐的全方位挑戰。”牛佳瑞說,一方面,PRESTO賽題的比賽數據全部來自FAST真實的天文觀測數據,這將讓大學生們接觸到現實中脈沖星研究的科研數據與軟件算法;另一方面,如果這些學生想在PRESTO賽題中取得好成績,就必須要深入學習和了解脈沖星搜索的相關知識,這將有助于大學生拓展天文學理論知識,激勵他們探索宇宙奧秘。

  事實上,近年來的超算應用,越來越需要複合型的人才,這正是ASC大賽的初衷——培養新一代超算人才。以利用FAST數據搜索脈沖星爲例,年輕的大學生既要懂天文學的專業知識,也要理解計算機程序的應用原理,這樣才能明確科研需求的種種計算難點,從而讓應用程序貼合科研目標。

  來自中科院國家天文台的最新消息顯示,“中國天眼FAST將于2021年4月1日正式對全球科學界開放。”5月8日-12日,ASC20-21總決賽將在位于深圳的南方科技大學舉行,經初賽選拔的20強將展開比拼,而脈沖星搜索這項挑戰也將繼續出現在決賽中,難度進一步升級。

  那時,FAST有望收獲更多的海量數據,而中國人能否從中更快更精准地搜索到脈沖星,乃至更有科學價值的物質或現象,就要看我們能否培養出足夠多既掌握超算手段、又擁有探索宇宙熱情的年輕人。

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