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。
作為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。
鮮為人知的是，這些脈沖星發現的歷程，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據：FAST在2018年觀測時，峰值數據率每秒就可以達到38G。其產生的海量數據，給FAST團隊帶來了巨大挑戰。
1月8日，全球范圍內規模最大、參與人數最多的大學生超算賽事——2020-2021 ASC世界大學生超算競賽初賽結束，來自全球各大高校的參賽隊伍在過去兩個月的時間內，所做的就是利用超級計算機向FAST的海量數據發起“進攻”，完成了一項尖端科學的挑戰——脈沖星搜索。
中國科學院國家天文臺博士牛佳瑞說，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，是開啟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，背后有兩大原因：一是在地球和周圍的環境中，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;二是觀測數據量龐大，FAST觀測脈沖星每秒會產生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。為了能夠及時分析FAST產生的龐大數據，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，軟件的優化也尤為必要。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，在過去的幾十年里，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瓦約束的超算平臺上，從FAST真實的觀測數據中，準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，越來越需要復合型的人才，這正是ASC大賽的初衷——培養新一代超算人才。以利用FAST數據搜索脈沖星為例，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準地搜索到脈沖星，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。(記者 邱晨輝)
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