從設(shè)計、建設(shè)、落成、調(diào)試，再到今年初通過驗(yàn)收正式開放運(yùn)行，“中國天眼”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，一舉一動都牽動著天文學(xué)家乃至全國人民的心。近期，“中國天眼”再立新功，發(fā)現(xiàn)來自宇宙深處的快速射電暴(FRB)新源。
中國科學(xué)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(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》上。
與首個重復(fù)射電暴脈沖結(jié)構(gòu)相似
“這是FAST通過盲搜發(fā)現(xiàn)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(diǎn)，一是脈沖輪廓表現(xiàn)為較罕見的三峰結(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(xù)僅數(shù)毫秒的神秘射電暴發(fā)現(xiàn)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(jié)構(gòu)，即望遠(yuǎn)鏡在某一個時間點(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。其中只有極少數(shù)是重復(fù)暴發(fā)的快速射電暴，這時往往會出現(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。“這與人們觀測到的首個重復(fù)射電暴FRB 121102的脈沖結(jié)構(gòu)十分相似。”
但是，當(dāng)被問及是否能夠就此判定該新源為重復(fù)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(jī)制尚不了解，僅憑多峰結(jié)構(gòu)無法為快速射電暴貼上‘重復(fù)’標(biāo)簽，今后我們會繼續(xù)緊盯FRB 181123，觀測其是否重復(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(dǎo)致色散，跟光線通過云層產(chǎn)生彩虹有同樣的物理基礎(chǔ)。頻率高的光子速度快，會先到達(dá)地球，通過測量不同頻率的光子到達(dá)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(yuǎn)。此次發(fā)現(xiàn)的新源色散量約為FRB 121102的三倍，意味著該新源來自更遠(yuǎn)的宇宙深處。
“經(jīng)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(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，探測能力就越強(qiáng)。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(yuǎn)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(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’項目。”朱煒瑋回憶，當(dāng)時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”時間，張開這只“巨眼”，對著天空進(jìn)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(zhuǎn)，就能夠讓特定天區(qū)“一覽無余”。當(dāng)然，操作簡潔的背后，是讓研究人員十分頭痛的海量數(shù)據(jù)。尤其對于能夠同時“望”向19個方向的FAST來講，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。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(shù)據(jù)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(xué)習(xí)圖像識別技術(shù)，讓AI先把海量數(shù)據(jù)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(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。
“現(xiàn)階段，通過AI尋找快速射電暴的手段還處于早期的嘗試階段，后續(xù)我們會將AI推廣到更廣泛的領(lǐng)域，進(jìn)一步開發(fā)實(shí)用的功能。”朱煒瑋坦言。
從一個“陌生人”到發(fā)現(xiàn)總量近千
“中國天眼”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年才首次被觀測到，6年后，學(xué)界再次觀測到4個快速射電暴，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年開始準(zhǔn)備快速射電暴搜索工作。雖然FAST起步相對較晚，但這次發(fā)現(xiàn)展示了其在觀測來自宇宙深處的微弱信號上的優(yōu)勢。此次發(fā)現(xiàn)的信號來自宇宙演化中恒星誕生率最高的時期。后續(xù)FAST還將開展更細(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)象來開展宇宙學(xué)和基礎(chǔ)物理方面的研究。”朱煒瑋表示。
記者從中國科學(xué)院國家天文臺了解到，未來FAST將通過“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”等優(yōu)先項目，尋找和觀測更多快速射電暴，進(jìn)一步對其起源和發(fā)生機(jī)制的研究作出貢獻(xiàn)。(于紫月)