大海撈針!“中國天眼”搜索脈沖星有多難

隨著昔日“射電之王”阿雷西博射電望遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡FAST。

作為世界最大單口徑的射電望遠(yuǎn)鏡，F(xiàn)AST自2016年竣工以來，就表現(xiàn)出“極強的靈敏度”，截至目前，基于FAST數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)的脈沖星超過240顆，在同一時間段位居世界第一。

鮮為人知的是，這些脈沖星發(fā)現(xiàn)的歷程，如大海撈針一般困難。中科院國家天文臺FAST工程總工程師姜鵬給出這樣一組數(shù)據(jù)：FAST在2018年觀測時，峰值數(shù)據(jù)率每秒就可以達(dá)到38G。其產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)，給FAST團隊帶來了巨大挑戰(zhàn)。

1月8日，全球范圍內(nèi)規(guī)模最大、參與人數(shù)最多的大學(xué)生超算賽事——2020-2021 ASC世界大學(xué)生超算競賽初賽結(jié)束，來自全球各大高校的參賽隊伍在過去兩個月的時間內(nèi)，所做的就是利用超級計算機向FAST的海量數(shù)據(jù)發(fā)起“進攻”，完成了一項尖端科學(xué)的挑戰(zhàn)——脈沖星搜索。

中國科學(xué)院國家天文臺博士牛佳瑞說，脈沖星是近現(xiàn)代天文學(xué)、物理學(xué)領(lǐng)域的前沿研究課題。諾貝爾物理學(xué)獎曾兩度授予脈沖星相關(guān)發(fā)現(xiàn)，而近兩年關(guān)于引力波發(fā)現(xiàn)、黑洞證實等榮獲諾貝爾物理學(xué)獎的重大突破，也與脈沖星研究有著直接或間接的關(guān)系。脈沖星的研究，因此備受矚目。

脈沖星搜索，是開啟脈沖星研究的第一步。據(jù)牛佳瑞介紹，目前人類已經(jīng)發(fā)現(xiàn)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(yuǎn)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(yuǎn)鏡。而天文望遠(yuǎn)鏡探測脈沖星，本質(zhì)上是探測脈沖星發(fā)出的輻射信號。

牛佳瑞說，脈沖星搜索非常困難，背后有兩大原因：一是在地球和周圍的環(huán)境中，存在大量的射頻干擾，這些干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(shù)據(jù)量龐大，F(xiàn)AST觀測脈沖星每秒會產(chǎn)生3GB數(shù)據(jù)，月數(shù)據(jù)量達(dá)到了PB量級，這樣大量的數(shù)據(jù)既難于處理，又難以儲存。為了能夠及時分析FAST產(chǎn)生的龐大數(shù)據(jù)，科學(xué)家需要使用性能強大的超級計算機對觀測數(shù)據(jù)進行處理。

此外，軟件的優(yōu)化也尤為必要。脈沖星搜索開源軟件PRESTO，就是當(dāng)前科學(xué)家主要使用的核心工具軟件之一，其主要設(shè)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(jù)統(tǒng)計，在過去的幾十年里，利用望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)的3000多顆脈沖星中，有700多顆是借助PRESTO發(fā)現(xiàn)的。

在ASC20-21初賽中，年輕大學(xué)生要做的，就是在功耗3000瓦約束的超算平臺上，從FAST真實的觀測數(shù)據(jù)中，準(zhǔn)確尋找到脈沖星候選體，并且要對PRESTO運行過程進行分析和優(yōu)化，盡可能地降低計算時間和所需資源。

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

事實上，近年來的超算應(yīng)用，越來越需要復(fù)合型的人才，這正是ASC大賽的初衷——培養(yǎng)新一代超算人才。以利用FAST數(shù)據(jù)搜索脈沖星為例，年輕的大學(xué)生既要懂天文學(xué)的專業(yè)知識，也要理解計算機程序的應(yīng)用原理，這樣才能明確科研需求的種種計算難點，從而讓應(yīng)用程序貼合科研目標(biāo)。

來自中科院國家天文臺的最新消息顯示，“中國天眼FAST將于2021年4月1日正式對全球科學(xué)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(xué)舉行，經(jīng)初賽選拔的20強將展開比拼，而脈沖星搜索這項挑戰(zhàn)也將繼續(xù)出現(xiàn)在決賽中，難度進一步升級。

那時，F(xiàn)AST有望收獲更多的海量數(shù)據(jù)，而中國人能否從中更快更精準(zhǔn)地搜索到脈沖星，乃至更有科學(xué)價值的物質(zhì)或現(xiàn)象，就要看我們能否培養(yǎng)出足夠多既掌握超算手段、又擁有探索宇宙熱情的年輕人。(記者 邱晨輝)

關(guān)鍵詞： 中國天眼 脈沖星