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"中國天眼"捕捉罕見快速射電暴"三連閃"

2020-06-04 09:50:44  來源:科技日報

從設計、建設、落成、調試,再到今年初通過驗收正式開放運行,“中國天眼”500米口徑球面射電望遠鏡(FAST)宛如貴州喀斯特洼坑中的一顆明珠,一舉一動都牽動著天文學家乃至全國人民的心。近期,“中國天眼”再立新功,發現來自宇宙深處的快速射電暴(FRB)新源。

中國科學院國家天文臺研究員朱煒瑋、李菂等與合作者利用自主研發的搜尋技術,結合深度學習人工智能技術(AI),對FAST海量的巡天數據進行快速搜索,發現了這一新源。近日,該研究成果在線發表于《天體物理學快報》上。

與首個重復射電暴脈沖結構相似

“這是FAST通過盲搜發現的第一個快速射電暴新源,被命名為FRB 181123。這一新源顯示出兩個特點,一是脈沖輪廓表現為較罕見的三峰結構,這種結構通常在重復射電暴中出現;二是色散量高,在已知快速射電暴里位列前茅,由此可判斷其來自宇宙的極深處。”朱煒瑋告訴科技日報記者。

快速射電暴是一種持續僅數毫秒的神秘射電暴發現象。以往觀測到的快速射電暴大部分是一次性的,通常只有單峰結構,即望遠鏡在某一個時間點接收到的光子數量突然劇烈上升,就像天空突然閃亮,又迅速暗淡下來。其中只有極少數是重復暴發的快速射電暴,這時往往會出現多峰結構,即連續閃爍兩三次,甚至更多。

朱煒瑋表示,此次發現的新源就連續閃爍了3次,每次閃爍的間隔約為5毫秒,第一次暴發的能量最高,后兩次暴發的能量大致相當,但比第一次“暗”很多。“這與人們觀測到的首個重復射電暴FRB 121102的脈沖結構十分相似。”

但是,當被問及是否能夠就此判定該新源為重復射電暴時,朱煒瑋的回答是否定的,“由于我們對快速射電暴的形成機制尚不了解,僅憑多峰結構無法為快速射電暴貼上‘重復’標簽,今后我們會繼續緊盯FRB 181123,觀測其是否重復暴發。”

如何判斷FRB 181123源自宇宙深處?

李菂在接受科技日報記者采訪時指出,脈沖信號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致色散,跟光線通過云層產生彩虹有同樣的物理基礎。頻率高的光子速度快,會先到達地球,通過測量不同頻率的光子到達地球的時間,就可以計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,離地球也就越遠。此次發現的新源色散量約為FRB 121102的三倍,意味著該新源來自更遠的宇宙深處。

“經估算,該脈沖信號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。

“這一新發現有賴于FAST超高的靈敏度。”李菂進一步解釋,射電望遠鏡同光學望遠鏡一樣,口徑越大,靈敏度就越高,接收到的電磁波就越多,探測能力就越強。如果將FRB 181123繪在星空畫布上,它可能就是極淡的一抹色彩。就像2018年FAST探測到有史以來最暗弱的毫秒脈沖星之一,很多其他國家的望遠鏡看了很多次卻都沒有看到這顆脈沖星,這充分證明了FAST的“火眼金睛”。

AI篩圖助學者“大海撈針”

除了FAST超強的硬件配置,后期數據的軟件處理也是尋找到快速射電暴新源的關鍵之一。

“我們發現新源的數據源自FAST的‘多科學目標漂移掃描巡天’項目。”朱煒瑋回憶,當時FAST正值調試期間,很多工作需要在白天完成,研究人員便利用FAST晚上的“空閑”時間,張開這只“巨眼”,對著天空進行漂移掃描。

漂移掃描是一種簡易快捷的掃描方式,即FAST自身保持不動,依托地球本身的自轉,就能夠讓特定天區“一覽無余”。當然,操作簡潔的背后,是讓研究人員十分頭痛的海量數據。尤其對于能夠同時“望”向19個方向的FAST來講,數據流每秒鐘高達幾千兆。

這些數據并非全部為有效數據,相反,大部分是源自地球表面和衛星等的干擾信號。在如此龐雜的信號中想要搜尋出天體或特殊天文事件的信號,無異于大海撈針。

“以往篩選數據時,一個人往往要看上百萬張圖像,一天下來頭暈眼花。如今,我們采用了深度學習圖像識別技術,讓AI先把海量數據過一遍,可以減少近百倍的人工工作量。”朱煒瑋說。

地面信號往往色散量很小,天體信號則不然。研究人員將信號數據轉化成二維圖像,再將之置于多層神經網絡中,利用上述天體和地面信號色散量等典型特征,篩選出天體信號,最終“撈”出了這一快速射電暴新源。

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