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“中國(guó)天眼”再立新功 發(fā)現(xiàn)快速射電暴(FRB)新源

科技日?qǐng)?bào) | 2020-06-03 08:36:26

從設(shè)計(jì)、建設(shè)、落成、調(diào)試,再到今年初通過(guò)驗(yàn)收正式開(kāi)放運(yùn)行,“中國(guó)天眼”500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡(FAST)宛如貴州喀斯特洼坑中的一顆明珠,一舉一動(dòng)都牽動(dòng)著天文學(xué)家乃至全國(guó)人民的心。近期,“中國(guó)天眼”再立新功,發(fā)現(xiàn)來(lái)自宇宙深處的快速射電暴(FRB)新源。

中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員朱煒瑋、李菂等與合作者利用自主研發(fā)的搜尋技術(shù),結(jié)合深度學(xué)習(xí)人工智能技術(shù)(AI),對(duì)FAST海量的巡天數(shù)據(jù)進(jìn)行快速搜索,發(fā)現(xiàn)了這一新源。近日,該研究成果在線發(fā)表于《天體物理學(xué)快報(bào)》上。

與首個(gè)重復(fù)射電暴脈沖結(jié)構(gòu)相似

“這是FAST通過(guò)盲搜發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)快速射電暴新源,被命名為FRB 181123。這一新源顯示出兩個(gè)特點(diǎn),一是脈沖輪廓表現(xiàn)為較罕見(jiàn)的三峰結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)通常在重復(fù)射電暴中出現(xiàn);二是色散量高,在已知快速射電暴里位列前茅,由此可判斷其來(lái)自宇宙的極深處。”朱煒瑋告訴科技日?qǐng)?bào)記者。

快速射電暴是一種持續(xù)僅數(shù)毫秒的神秘射電暴發(fā)現(xiàn)象。以往觀測(cè)到的快速射電暴大部分是一次性的,通常只有單峰結(jié)構(gòu),即望遠(yuǎn)鏡在某一個(gè)時(shí)間點(diǎn)接收到的光子數(shù)量突然劇烈上升,就像天空突然閃亮,又迅速暗淡下來(lái)。其中只有極少數(shù)是重復(fù)暴發(fā)的快速射電暴,這時(shí)往往會(huì)出現(xiàn)多峰結(jié)構(gòu),即連續(xù)閃爍兩三次,甚至更多。

朱煒瑋表示,此次發(fā)現(xiàn)的新源就連續(xù)閃爍了3次,每次閃爍的間隔約為5毫秒,第一次暴發(fā)的能量最高,后兩次暴發(fā)的能量大致相當(dāng),但比第一次“暗”很多。“這與人們觀測(cè)到的首個(gè)重復(fù)射電暴FRB 121102的脈沖結(jié)構(gòu)十分相似。”

但是,當(dāng)被問(wèn)及是否能夠就此判定該新源為重復(fù)射電暴時(shí),朱煒瑋的回答是否定的,“由于我們對(duì)快速射電暴的形成機(jī)制尚不了解,僅憑多峰結(jié)構(gòu)無(wú)法為快速射電暴貼上‘重復(fù)’標(biāo)簽,今后我們會(huì)繼續(xù)緊盯FRB 181123,觀測(cè)其是否重復(fù)暴發(fā)。”

如何判斷FRB 181123源自宇宙深處?

李菂在接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪時(shí)指出,脈沖信號(hào)與星際及星系際電子相互作用,不同頻率的電磁波傳播速度不同導(dǎo)致色散,跟光線通過(guò)云層產(chǎn)生彩虹有同樣的物理基礎(chǔ)。頻率高的光子速度快,會(huì)先到達(dá)地球,通過(guò)測(cè)量不同頻率的光子到達(dá)地球的時(shí)間,就可以計(jì)算出快速射電暴的色散程度。色散量越高,也就意味著光子的旅程越漫長(zhǎng),離地球也就越遠(yuǎn)。此次發(fā)現(xiàn)的新源色散量約為FRB 121102的三倍,意味著該新源來(lái)自更遠(yuǎn)的宇宙深處。

“經(jīng)估算,該脈沖信號(hào)可能在宇宙中跋涉了約百億年,最終在2018年11月23日被FAST‘捕獲’。”朱煒瑋說(shuō)。

“這一新發(fā)現(xiàn)有賴于FAST超高的靈敏度。”李菂進(jìn)一步解釋,射電望遠(yuǎn)鏡同光學(xué)望遠(yuǎn)鏡一樣,口徑越大,靈敏度就越高,接收到的電磁波就越多,探測(cè)能力就越強(qiáng)。如果將FRB 181123繪在星空畫(huà)布上,它可能就是極淡的一抹色彩。就像2018年FAST探測(cè)到有史以來(lái)最暗弱的毫秒脈沖星之一,很多其他國(guó)家的望遠(yuǎn)鏡看了很多次卻都沒(méi)有看到這顆脈沖星,這充分證明了FAST的“火眼金睛”。

AI篩圖助學(xué)者“大海撈針”

除了FAST超強(qiáng)的硬件配置,后期數(shù)據(jù)的軟件處理也是尋找到快速射電暴新源的關(guān)鍵之一。

“我們發(fā)現(xiàn)新源的數(shù)據(jù)源自FAST的‘多科學(xué)目標(biāo)漂移掃描巡天’項(xiàng)目。”朱煒瑋回憶,當(dāng)時(shí)FAST正值調(diào)試期間,很多工作需要在白天完成,研究人員便利用FAST晚上的“空閑”時(shí)間,張開(kāi)這只“巨眼”,對(duì)著天空進(jìn)行漂移掃描。

漂移掃描是一種簡(jiǎn)易快捷的掃描方式,即FAST自身保持不動(dòng),依托地球本身的自轉(zhuǎn),就能夠讓特定天區(qū)“一覽無(wú)余”。當(dāng)然,操作簡(jiǎn)潔的背后,是讓研究人員十分頭痛的海量數(shù)據(jù)。尤其對(duì)于能夠同時(shí)“望”向19個(gè)方向的FAST來(lái)講,數(shù)據(jù)流每秒鐘高達(dá)幾千兆。

這些數(shù)據(jù)并非全部為有效數(shù)據(jù),相反,大部分是源自地球表面和衛(wèi)星等的干擾信號(hào)。在如此龐雜的信號(hào)中想要搜尋出天體或特殊天文事件的信號(hào),無(wú)異于大海撈針。

“以往篩選數(shù)據(jù)時(shí),一個(gè)人往往要看上百萬(wàn)張圖像,一天下來(lái)頭暈眼花。如今,我們采用了深度學(xué)習(xí)圖像識(shí)別技術(shù),讓AI先把海量數(shù)據(jù)過(guò)一遍,可以減少近百倍的人工工作量。”朱煒瑋說(shuō)。

地面信號(hào)往往色散量很小,天體信號(hào)則不然。研究人員將信號(hào)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成二維圖像,再將之置于多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中,利用上述天體和地面信號(hào)色散量等典型特征,篩選出天體信號(hào),最終“撈”出了這一快速射電暴新源。

“現(xiàn)階段,通過(guò)AI尋找快速射電暴的手段還處于早期的嘗試階段,后續(xù)我們會(huì)將AI推廣到更廣泛的領(lǐng)域,進(jìn)一步開(kāi)發(fā)實(shí)用的功能。”朱煒瑋坦言。

從一個(gè)“陌生人”到發(fā)現(xiàn)總量近千

“中國(guó)天眼”的新發(fā)現(xiàn)在學(xué)界引起了廣泛關(guān)注。原因在于,人類天文史上,快速射電暴尚屬于新認(rèn)識(shí)的“陌生人”。

快速射電暴猛烈釋放出巨大的能量,幾毫秒間就能夠釋放出相當(dāng)于太陽(yáng)在一整天內(nèi)釋放的能量,然而就是因?yàn)樗皇菐缀撩雰?nèi)的曇花一現(xiàn),直到2007年才首次被觀測(cè)到,6年后,學(xué)界再次觀測(cè)到4個(gè)快速射電暴,從此快速射電暴躋身為天文界普遍關(guān)注的現(xiàn)象之一。FAST2016年落成啟用后,也加入到搜尋快速射電暴的大軍之中。

作為FAST首席科學(xué)家,李菂對(duì)于“自家娃”的新發(fā)現(xiàn)欣慰不已。“新的天文領(lǐng)域發(fā)展迅猛,近幾年來(lái)人們發(fā)現(xiàn)的快速射電暴數(shù)量激增,總量近千。我們從2015年開(kāi)始準(zhǔn)備快速射電暴搜索工作。雖然FAST起步相對(duì)較晚,但這次發(fā)現(xiàn)展示了其在觀測(cè)來(lái)自宇宙深處的微弱信號(hào)上的優(yōu)勢(shì)。此次發(fā)現(xiàn)的信號(hào)來(lái)自宇宙演化中恒星誕生率最高的時(shí)期。后續(xù)FAST還將開(kāi)展更細(xì)致的研究,進(jìn)一步揭示快速射電暴的起源和機(jī)制。”

“快速射電暴本身仍是一個(gè)新的未解謎團(tuán)。發(fā)現(xiàn)更多快速射電暴有助于揭示其起源,還可以利用快速射電暴這種現(xiàn)象來(lái)開(kāi)展宇宙學(xué)和基礎(chǔ)物理方面的研究。”朱煒瑋表示。

記者從中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)了解到,未來(lái)FAST將通過(guò)“多科學(xué)目標(biāo)漂移掃描巡天”和“快速射電暴的搜尋和多波段觀測(cè)”等優(yōu)先項(xiàng)目,尋找和觀測(cè)更多快速射電暴,進(jìn)一步對(duì)其起源和發(fā)生機(jī)制的研究作出貢獻(xiàn)。(于紫月)

  • 標(biāo)簽:快速射電暴,新源,FRB

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