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記者專欄
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漫漫星空,探索未有窮期

2023-02-02 06:20 來源:人民日報(bào) 本報(bào)記者 施 芳

  國家天文臺銀道面脈沖星巡天項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)—— 

  漫漫星空,探索未有窮期(講述·弘揚(yáng)科學(xué)家精神)

  本報(bào)記者 施 芳 《 人民日報(bào) 》( 2023年02月02日 第 06 版)

  人物名片

  依托中國天眼(FAST),國家天文臺銀道面脈沖星巡天項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)在短短3年內(nèi)發(fā)現(xiàn)了520顆脈沖星,改變了我國在脈沖星搜尋與研究領(lǐng)域過去長期沒有話語權(quán)的局面。目前,團(tuán)隊(duì)核心成員有15人,平均年齡31歲。

  老舊的辦公桌上放著一摞厚厚的文獻(xiàn),攤開的筆記本寫得密密麻麻,10多把椅子散放著……會(huì)議室里,一場激烈的討論剛剛結(jié)束。

  “脈沖星搜尋工作是以秒來計(jì)算的……”在國家天文臺一間陳設(shè)簡陋的辦公室里,銀道面脈沖星巡天項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人韓金林研究員緊盯著電腦屏幕說。前不久,團(tuán)隊(duì)利用中國天眼(FAST),揭示了銀河系星際介質(zhì)前所未見的細(xì)節(jié)。他們在搜尋銀河系內(nèi)脈沖星的過程中,同步記錄了星際介質(zhì)的譜線數(shù)據(jù),揭示出銀河系內(nèi)中性氫氣體的精致結(jié)構(gòu)和電離氣體的彌漫特征;還測量了大量暗弱脈沖星的法拉第效應(yīng),顯現(xiàn)出銀河系內(nèi)大范圍的磁場特征;新證認(rèn)出兩例超新星爆炸的遺跡。這些研究結(jié)果對理解銀河系內(nèi)的星際生態(tài)循環(huán)有重要意義。系列論文于2022年12月10日作為特別專題發(fā)表在我國綜合國際期刊《中國科學(xué):物理學(xué) 力學(xué) 天文學(xué)》上。

  用中國望遠(yuǎn)鏡做出的原創(chuàng)性成果,呈現(xiàn)在中國的學(xué)術(shù)期刊上

  脈沖星是大質(zhì)量恒星死亡后的殘骸,是宇宙中密度最高、磁場最強(qiáng)、自轉(zhuǎn)最快、相對論效應(yīng)最顯著的天體,是研究宇宙極端環(huán)境下物理規(guī)律的理想實(shí)驗(yàn)室。脈沖星的發(fā)現(xiàn)和研究,是國際上大射電望遠(yuǎn)鏡的關(guān)鍵科學(xué)目標(biāo)之一。

  1968年首次發(fā)現(xiàn)脈沖星后的50余年間,全世界一共發(fā)現(xiàn)3300多顆脈沖星。由于大型望遠(yuǎn)鏡和專業(yè)人才的稀缺,中國在脈沖星的搜尋與研究方面起步較晚。

  2016年,隨著FAST的建成,這種狀況得以扭轉(zhuǎn)。截至2022年12月,我國科學(xué)家累計(jì)發(fā)現(xiàn)約720顆脈沖星,其中大部分是韓金林帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)的,包括一批最暗弱的脈沖星、挑戰(zhàn)當(dāng)代銀河系電子分布模型的大色散量脈沖星等。

  2020年10月初的一天,韓金林遇到《天文和天體物理學(xué)研究》執(zhí)行主編、中國科學(xué)院院士汪景琇,興奮地分享了最新成果:“我們團(tuán)隊(duì)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了100多顆脈沖星!”汪景琇聽了很振奮,當(dāng)即約稿:“把成果論文發(fā)表在咱們刊物上吧!”

  “論文寫作就持續(xù)了好幾個(gè)月,其間經(jīng)歷數(shù)百遍修改,光用于期刊封面的那幅圖,就改了幾十遍。”團(tuán)隊(duì)成員、博士生景威聰說,“脈沖星發(fā)現(xiàn)數(shù)目在不斷刷新,我們發(fā)表的只是這篇論文被期刊接受那天脈沖星的發(fā)現(xiàn)數(shù)!

  “在印刷的前一天下午,韓老師還加了一幅圖,以便讓讀者更直觀地感知新發(fā)現(xiàn)!薄短煳暮吞祗w物理學(xué)研究》編輯部主任溫亞媛說,“這是用中國望遠(yuǎn)鏡做出的原創(chuàng)性成果,他要力求完美地呈現(xiàn)在中國的學(xué)術(shù)期刊上!

  2021年5月,銀道面脈沖星巡天項(xiàng)目的首篇論文在《天文和天體物理學(xué)研究》上發(fā)表!拔覀冋谶M(jìn)行的銀道面脈沖星快照巡天項(xiàng)目,是銀河系系統(tǒng)性搜尋首次進(jìn)入到微央斯基量級的深水區(qū),超越國際其他巡測靈敏度一個(gè)量級!蓖艟艾L說,“這篇論文是將優(yōu)秀科研成果發(fā)表在中國學(xué)術(shù)期刊上的表率!痹撜撐拇撕螳@得中國科協(xié)第六屆優(yōu)秀科技論文遴選計(jì)劃的優(yōu)秀論文獎(jiǎng)。

  澳大利亞科學(xué)院院士曼徹斯特對論文給予高度評價(jià):“銀道面脈沖星巡天項(xiàng)目僅觀測了可觀測天區(qū)的一小部分,就將已知毫秒脈沖星的數(shù)量增加了近10%,這是一個(gè)了不起的成就!

  團(tuán)隊(duì)協(xié)作,探索快照模式,大幅提高觀測效率

  “這些成果是團(tuán)隊(duì)一起摸爬滾打做出來的。”韓金林感慨道。

  傳統(tǒng)的望遠(yuǎn)鏡觀測模式一般是一個(gè)點(diǎn)一個(gè)點(diǎn)地觀測。FAST安裝了19個(gè)接收機(jī),意味著同一時(shí)刻可以把天上19個(gè)位置上任何星體發(fā)出的信號都記錄下來!拔覀冊诖嘶A(chǔ)上突破創(chuàng)新,采用了更高效的觀測模式,即快照模式。這19個(gè)接收機(jī)仿佛19只凝視星空的眼睛,通過快速微調(diào)望遠(yuǎn)鏡,讓‘眼睛’略微轉(zhuǎn)動(dòng),把一整塊天區(qū)全部覆蓋,大幅提高觀測效率!表n金林說。

  為了測試快照模式,并驗(yàn)證銀道面脈沖星巡天項(xiàng)目的可行性,2019年3月17日,國家天文臺副研究員王陳等6人趕赴1700多公里之外的深山——貴州省黔南布依族苗族自治州平塘縣克度鎮(zhèn)大窩凼,F(xiàn)AST就坐落于此。

  “FAST的接收面積相當(dāng)于30個(gè)標(biāo)準(zhǔn)足球場,沿著望遠(yuǎn)鏡走一圈大約1.6公里。”王陳被眼前的景象深深震撼,“我們一定要用好它!”

  觀測試驗(yàn)分為3個(gè)小隊(duì):一隊(duì)由高旭陽和侯立剛負(fù)責(zé)19波束分布測試;二隊(duì)由王陳和孫京海負(fù)責(zé)快照模式控制的測試;三隊(duì)由王鵬飛和王濤負(fù)責(zé)脈沖星數(shù)據(jù)處理流程開發(fā)。當(dāng)晚,第一次觀測試驗(yàn)開始。按照事先計(jì)算的結(jié)果,如果19波束排布圖準(zhǔn)確,那么FAST的第十八個(gè)波束應(yīng)該能看到一顆明亮的脈沖星,結(jié)果一無所獲,加之試驗(yàn)時(shí)間有限,大家頓感壓力巨大。

  經(jīng)過緊張的復(fù)核,仔細(xì)檢查每一行代碼,最后發(fā)現(xiàn)是接收機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向與預(yù)期相反導(dǎo)致的。大家立即改正程序,展開第二次測試。3月21日下午,大家屏息凝神,等待觀測結(jié)果。一條條明亮的脈沖清晰出現(xiàn)在電腦屏幕中央,“看到了,看到脈沖星了!”這是項(xiàng)目組第一次利用FAST觀測到脈沖星,所有人心中都充滿了無限自豪。

  為了配合一隊(duì)、二隊(duì)的進(jìn)度,三隊(duì)幾乎不眠不休開發(fā)軟件,全力為快照觀測模式下的數(shù)據(jù)處理提供基礎(chǔ)程序,并為后續(xù)搜尋工作做準(zhǔn)備。這3個(gè)小組相互獨(dú)立又高度協(xié)作,幾天內(nèi)就完成了測試任務(wù)。數(shù)據(jù)表明,觀測同樣面積的天區(qū)并達(dá)到相同的靈敏度,快照模式僅需21分鐘,傳統(tǒng)的跟蹤觀測模式則需要40到60分鐘。

  “一個(gè)看似不起眼的小錯(cuò)誤都可能帶來大麻煩!表n金林說。他搭建了一個(gè)脈沖星搜尋流水線,把用于搜尋的各個(gè)模塊都串聯(lián)起來,以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化搜尋脈沖星的目標(biāo)。脈沖星搜尋需要遍歷所有可能的色散量,幾個(gè)月后,團(tuán)隊(duì)突然發(fā)現(xiàn),搜尋結(jié)果中少了一批脈沖星。經(jīng)過排查,最終發(fā)現(xiàn)是早期的一個(gè)模塊中,有一行程序少了一個(gè)逗號。修改這個(gè)錯(cuò)誤后,項(xiàng)目組不得不將之前幾個(gè)月的海量數(shù)據(jù)重新處理,否則就會(huì)遺漏大量的脈沖星。

  吃苦耐勞,爭分奪秒,實(shí)現(xiàn)搜尋工作持續(xù)迭代

  “十小時(shí)工作制”,韓金林常對團(tuán)隊(duì)里的年輕人這樣說。實(shí)際上,韓金林付出的精力遠(yuǎn)不止于此!绊n老師經(jīng)常工作到半夜一兩點(diǎn),第二天一大早又來辦公室,幾乎全年無休!辈┦可鯘f。

  受韓金林的影響,項(xiàng)目組的年輕人也是早來晚走,有時(shí)干脆睡在辦公室里!坝幸淮未竽瓿跻唬⑿湃豪镞在討論任務(wù)。半夜一兩點(diǎn)微信群里還有新消息,更是常事!辈┦可艿陆f。

  2019年9月,為了取得階段性成果,韓金林帶領(lǐng)學(xué)生處理FAST調(diào)試數(shù)據(jù),力求在較短時(shí)間里能有更多發(fā)現(xiàn)。當(dāng)時(shí)項(xiàng)目組已觀測了五六十個(gè)天區(qū),每個(gè)天區(qū)都能產(chǎn)生幾千甚至上萬個(gè)脈沖星候選體的圖片,但其中九成以上都是干擾信號。由于早先國際版人工智能打分程序?qū)Ω蓴_剔除不夠充分,只能人工進(jìn)一步篩選出真正的脈沖星信號。

  同學(xué)們輪番上陣,24小時(shí)連軸轉(zhuǎn),硬是在3天內(nèi)從20多萬張圖片中把20多顆優(yōu)質(zhì)的脈沖星篩選出來了!“真是沙里淘金,長時(shí)間緊盯電腦屏幕,眼睛又澀又酸。”團(tuán)隊(duì)成員顏一說,但看到20多顆優(yōu)質(zhì)脈沖星,感覺一切都是值得的。

  國外現(xiàn)有程序是按照特定望遠(yuǎn)鏡參數(shù)設(shè)置的,并不適用于處理FAST搜索數(shù)據(jù);逃過AI篩選的干擾信號數(shù)量很大,人工篩選不是長久之計(jì)。項(xiàng)目組總結(jié)了干擾信號的特征,認(rèn)為完全可以想辦法直接剔除。為了能寫出一個(gè)計(jì)算速度快、應(yīng)用效果好的程序,周德江吃住都在辦公室!斑@些年輕人個(gè)個(gè)都是好樣的!他們吃苦耐勞,為團(tuán)隊(duì)節(jié)省了不少時(shí)間和資源!表n金林贊嘆道。經(jīng)過團(tuán)隊(duì)共同努力,脈沖星搜尋工作終于實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化,并且一直更新?lián)Q代。

  功夫不負(fù)有心人。2019年底,經(jīng)過FAST科學(xué)委員會(huì)征集、評估和遴選,銀道面脈沖星巡天項(xiàng)目最終被列入FAST五個(gè)重大項(xiàng)目之一,2020年初正式開啟巡天觀測。截至目前,項(xiàng)目共計(jì)觀測了約300平方度的銀道面區(qū)域,占項(xiàng)目總體規(guī)劃的10%,但已經(jīng)取得了豐碩的科學(xué)成果。2020年底和2022年底,這支年輕的隊(duì)伍兩次被評為國家天文臺優(yōu)秀科研團(tuán)隊(duì)。

  “我們趕上了一個(gè)好時(shí)候,一分一秒都耽誤不得!表n金林說。早年,中國沒有大型望遠(yuǎn)鏡,天文學(xué)研究嚴(yán)重受限。韓金林曾爭取到澳大利亞帕克斯望遠(yuǎn)鏡600多個(gè)小時(shí)的使用機(jī)會(huì),他分秒必爭地觀測,最終和北京大學(xué)天文系教授喬國俊合作完成銀河系磁場的研究,獲得2006年度國家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)!澳阋^續(xù)努力,再攀高峰!”韓金林永遠(yuǎn)銘記著導(dǎo)師王綬琯院士的諄諄囑托。

  目前FAST執(zhí)行的天文觀測項(xiàng)目有160多個(gè),每個(gè)項(xiàng)目觀測的時(shí)間都掐秒計(jì)時(shí)。“我們希望用5年左右時(shí)間完成全部內(nèi)銀道面和部分外銀道面的巡天觀測,爭取發(fā)現(xiàn)1000顆脈沖星。通過深入研究新發(fā)現(xiàn)的天體,來檢驗(yàn)現(xiàn)有的物理模型,乃至發(fā)現(xiàn)新的物理規(guī)律!表n金林充滿信心地說,“再用8到10年,爭取把銀河系看遍!”

  靠奮斗,從跟跑、并跑到領(lǐng)跑(記者手記)

  “整整浪費(fèi)了15分鐘吶!”有一回,團(tuán)隊(duì)成員因?yàn)橥涥P(guān)閉望遠(yuǎn)鏡校準(zhǔn)校號,導(dǎo)致15分鐘的觀測數(shù)據(jù)無法使用。項(xiàng)目需要觀測數(shù)萬次,每次要在界面上人工點(diǎn)擊輸入幾十個(gè)參數(shù),難免出錯(cuò)。但時(shí)至今日,記者仍然真切地感受到韓金林深深的惋惜……

  惜時(shí)如金,既是出于對大科學(xué)裝置巨額投入和使用效率的考量,也是這些青年科技工作者責(zé)任感和使命感的體現(xiàn)。正是幾代天文工作者自覺接續(xù)奮斗,勇攀高峰,才使中國在脈沖星觀測和研究等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)從跟跑、并跑到領(lǐng)跑的跨越。

  漫漫星空,探索未有窮期。一棒接著一棒跑,中國的天文事業(yè)必將抵達(dá)一個(gè)個(gè)新高度。

(責(zé)任編輯:歐云海)

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漫漫星空,探索未有窮期

2023-02-02 06:20 來源:人民日報(bào)
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