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即将迎来两周年,“中国天眼”遭遇海量数据挑战
  • 发布日期:2018-09-17
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  • 信息来源: 科技日报

  59颗优质候选体、44颗脉冲星,这是FAST调试两年来交出的“科学发现成绩单”。国际上没有先例可循,调试工作颇具挑战性,FAST团队克服重重困难,为FAST矫正视力,让它转动“眼珠”。

  而在19波束接收机投入使用后,FAST巡天能力提高了五六倍,视场也扩大到原来的19倍,除了脉冲星,FAST是否有最新的发现?9月15日,在FAST即将迎来建成两周年纪念日之际,科技日报记者故地重访却了解到,FAST遇到了挑战——

  脉冲星发现“超过预期”

  截至目前,FAST共发现了44颗脉冲星,其中19颗获得国际认证,包括一颗毫秒脉冲星。对此,中科院国家天文台FAST工程副研究员钱磊说,FAST还在调试阶段就取得这样的成果,超出了FAST团队的预期。这主要归功于FAST具有极高的灵敏度,在此之前,由于历史和设备原因,国内其他射电望远镜虽已观测到多颗已知脉冲星,但从未发现过新脉冲星。

  脉冲星是旋转的中子星,由恒星演化和超新星爆发产生,其信号一度被认为来自外星人。宇宙中有大量脉冲星,自转周期极其稳定,准确的时钟信号为引力波探测、航天器导航等重大科学及技术应用提供了理想工具。

  那么,FAST是怎么发现脉冲星的?这些脉冲星又是怎么认证的呢?

  钱磊说,脉冲星的电磁辐射来自于磁极。在脉冲星转动时,磁极发出的电磁辐射束像海岸上的灯塔一样,扫过天空。每当脉冲星辐射扫过地球,地面的FAST就收到一个信号,记录到像“心电图”一样的系列脉冲。而后,FAST将信号收集、处理,再翻译成人类能理解的形式。只是,中间这个转换的过程非常复杂。FAST反射面将电信号汇聚到接收机,并转换成光信号,通过光缆传回总控室,再把光信号转换回电信号,进而变成数字信号,计算机集群则根据事先设定好的程序,将这些数字信号储存、计算,并经过分析,识别出能够代表脉冲星的一系列特征。

  “FAST的搜寻主要有两种模式,第一种是通过漂移扫描,即望远镜固定不动,借助地球自转指向不同天空进行盲巡;第二种是对特定的源进行搜寻,包括球状星团、高能费米点源和M31等。”中科院国家天文台FAST工程总工程师姜鹏说,观测之后就可以对望远镜数据进行分析,寻找可信的周期性信号,再通过人工进行判断,将其列为候选体,最后通过FAST进行重复观测或者由其他望远镜观测进行认证。目前,在FAST发现的44颗脉冲星中,有25颗是FAST自己进行认证的,其余的是通过合作的澳大利亚Parkes64米望远镜、德国Effelsberg100米望远镜等进行观测认证。

  海量数据带来巨大挑战

  除了搜索脉冲星,FAST其实还有着更重要的科学目标,包括探测中性氢,以揭示宇宙膨胀、星系形成及演化的奥秘,以及搜寻可能存在的外星生命等等。可以说,拥有世界领先的绝对灵敏度,让FAST拥有无限的可能。

  今年6月初,随着19波束馈源接收机的投入使用,FAST巡天速度提高了5到6倍,视场也扩大至原来的19倍。这意味着“武功”更高,FAST或许能给我们带来更大的惊喜。

  “这一次有没有可能发现外星人?”面对科技日报记者的追问,钱磊解释说,如果确实有外星人的存在,而他们也正好使用无线电的话,那他们应该逃不过FAST的“火眼金睛”。针对外国科学家发现月球表面存在水冰的消息,钱磊表示,在雷达的配合下,FAST也有可能开展相关探测。

  如今,几个月过去了,FAST到底有什么重大发现?姜鹏坦言,用上了19波束,FAST所产生的海量数据,给FAST团队带来了巨大的挑战。观测时,以前每秒钟最多只产生2G的数据。现在,峰值数据率每秒可以达到38G。由于存储和计算能力有限,他们只能对数据进行压缩,降低数据的动态范围,但仍然有数据堆积的危险,这是以往所没有遇到过的事情。

  不过,在FAST数据中心投用后,问题将得以缓解。由FAST联手中国电信建设的数据中心,将以中国电信天翼云为基础,依托中国电信强大的网络优势和平台能力,整合海量高速存储和高速计算单元,为FAST提供超算中心服务,以及高速网络接入和信息通信支撑保障。按照规划,这个数据中心最终将为FAST提供100PB的存储容量。同时,位于贵州师范大学内的FAST早期科学数据中心,也正着手扩容。

  截至目前,FAST积累了1000多小时的观测时长,科学数据存储总量约2.8PB。

  预计明年完成调试

  FAST是世界上口径最大、最灵敏的射电望远镜。500米口径,其接收电波的面积相当于30个足球场那么大,足足可以“装”下8个“鸟巢”体育馆。如果要给这口“大锅”装满矿泉水,足以让全世界每人喝上4瓶。

  利用地球上独一无二的喀斯特巨型洼地作为台址,FAST自主发明变形反射面,采用光机电一体化技术,自主提出轻型索拖动馈源支撑系统和并联机器人,实现高精度指向跟踪。FAST的大,大得有道理。只有口径越大,才能“看”得越远。科学家打过比方,以它的灵敏度,即便有人在月亮上打手机,也能被“看见”。

  调试两年来,因为国际上没有先例,很多问题只能靠FAST团队自己解决。姜鹏说,巨型望远镜调试是一项强交叉学科的应用性研究,国际上传统大射电望远镜的调试周期很少低于四年,而FAST开创了建造巨型射电望远镜的新模式,它的调试工作也很有挑战性。

  相对其他望远镜来说,FAST的系统构成更加复杂。经过FAST团队的努力,实时力学仿真技术大幅提升了望远镜对设备故障的容忍度,馈源支撑系统也实现了系统集成,FAST实现了对特定目标的跟踪观测,并稳定地获取了目标源射电信号。并且,随着调试工作的深入开展,FAST的性能也得到明显改善。“FAST科学团队能在短期内实现望远镜的功能性调试,完成了最困难、最有风险的调试环节。”姜鹏说,不出意外的话,FAST预计明年完成全部调试。

  “感官安宁,万籁无声,美丽的宇宙太空以它的神秘和绚丽,召唤我们踏过平庸,进入它无垠的广袤……”已故的中科院国家天文台研究员、FAST工程首席科学家兼总工程师南仁东诗一般的语言,让人们对FAST的未来满怀憧憬。


作者:科技日报记者 何星辉 通讯员 李官杰 洪永


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