大海撈針！“中國(guó)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(guó)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(lái)，就表現(xiàn)出“極強(qiáng)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(guò)240顆，在同一時(shí)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(guó)家天文臺(tái)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(cè)時(shí)，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(tuán)隊(duì)帶來(lái)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(jìng)賽初賽結(jié)束，來(lái)自全球各大高校的參賽隊(duì)伍在過(guò)去兩個(gè)月的時(shí)間內(nèi)，所做的就是利用超級(jí)計(jì)算機(jī)向FAST的海量數(shù)據(jù)發(fā)起“進(jìn)攻”，完成了一項(xiàng)尖端科學(xué)的挑戰(zhàn)——脈沖星搜索。

　　中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)博士牛佳瑞說(shuō)，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(jiǎng)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(shí)等榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)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(kāi)啟脈沖星研究的第一步。據(jù)牛佳瑞介紹，目前人類(lèi)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(wú)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(cè)脈沖星，本質(zhì)上是探測(cè)脈沖星發(fā)出的輻射信號(hào)。

　　牛佳瑞說(shuō)，脈沖星搜索非常困難，背后有兩大原因：一是在地球和周?chē)沫h(huán)境中，存在大量的射頻干擾，這些干擾比脈沖星信號(hào)強(qiáng)得多，如何識(shí)別消除它們是脈沖星搜尋的大問(wèn)題；二是觀測(cè)數(shù)據(jù)量龐大，F(xiàn)AST觀測(cè)脈沖星每秒會(huì)產(chǎn)生3GB數(shù)據(jù)，月數(shù)據(jù)量達(dá)到了PB量級(jí)，這樣大量的數(shù)據(jù)既難于處理，又難以?xún)?chǔ)存。為了能夠及時(shí)分析FAST產(chǎn)生的龐大數(shù)據(jù)，科學(xué)家需要使用性能強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

　　此外，軟件的優(yōu)化也尤為必要。脈沖星搜索開(kāi)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(jì)目的是從對(duì)球狀星團(tuán)的長(zhǎng)距離觀測(cè)中，有效地搜索毫秒脈沖星。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在過(guò)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(tái)上，從FAST真實(shí)的觀測(cè)數(shù)據(jù)中，準(zhǔn)確尋找到脈沖星候選體，并且要對(duì)PRESTO運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行分析和優(yōu)化，盡可能地降低計(jì)算時(shí)間和所需資源。

　　“這將是對(duì)大學(xué)生從理論到實(shí)踐的全方位挑戰(zhàn)。”牛佳瑞說(shuō)，一方面，PRESTO賽題的比賽數(shù)據(jù)全部來(lái)自FAST真實(shí)的天文觀測(cè)數(shù)據(jù)，這將讓大學(xué)生們接觸到現(xiàn)實(shí)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(jī)，就必須要深入學(xué)習(xí)和了解脈沖星搜索的相關(guān)知識(shí)，這將有助于大學(xué)生拓展天文學(xué)理論知識(shí)，激勵(lì)他們探索宇宙奧秘。

　　事實(shí)上，近年來(lái)的超算應(yīng)用，越來(lái)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(zhuān)業(yè)知識(shí)，也要理解計(jì)算機(jī)程序的應(yīng)用原理，這樣才能明確科研需求的種種計(jì)算難點(diǎn)，從而讓?xiě)?yīng)用程序貼合科研目標(biāo)。

　　來(lái)自中科院國(guó)家天文臺(tái)的最新消息顯示，“中國(guó)天眼FAST將于2021年4月1日正式對(duì)全球科學(xué)界開(kāi)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(qiáng)將展開(kāi)比拼，而脈沖星搜索這項(xiàng)挑戰(zhàn)也將繼續(xù)出現(xiàn)在決賽中，難度進(jìn)一步升級(jí)。

　　那時(shí)，F(xiàn)AST有望收獲更多的海量數(shù)據(jù)，而中國(guó)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(jià)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。