从设计、建设、落成、调试,再到今年初通过验收正式开放运行,“中国天眼”500米口径球面射电望远镜(FAST)宛如贵州喀斯特洼坑中的一颗明珠,一举一动都牵动着天文学家乃至全国人民的心。近期,“中国天眼”再立新功,发现来自宇宙深处的快速射电暴(FRB)新源。

来源:科技日报

从设计、建设、落成、调试,再到今年初通过验收正式开放运行,“中国天眼”500米口径球面射电望远镜(FAST)宛如贵州喀斯特洼坑中的一颗明珠,一举一动都牵动着天文学家乃至全国人民的心。近期,“中国天眼”再立新功,发现来自宇宙深处的快速射电暴(FRB)新源。

中国科学院国家天文台研究员朱炜玮、李菂等与合作者利用自主研发的搜寻技术,结合深度学习人工智能技术(AI),对FAST海量的巡天数据进行快速搜索,发现了这一新源。近日,该研究成果在线发表于《物理学快报》上。

与首个重复射电暴脉冲结构相似

“这是FAST通过盲搜发现的第一个快速射电暴新源,被命名为FRB 181123。这一新源显示出两个特点,一是脉冲轮廓表现为较罕见的三峰结构,这种结构通常在重复射电暴中出现;二是色散量高,在已知快速射电暴里位列前茅,由此可判断其来自宇宙的极深处。”朱炜玮告诉科技日报

快速射电暴是一种持续仅数毫秒的神秘射电暴发现象。以往观测到的快速射电暴大部分是一次性的,通常只有单峰结构,即望远镜在某一个时间点接收到的光子数量突然上升,就像天空突然闪亮,又迅速暗淡下来。其中只有极少数是重复暴发的快速射电暴,这时往往会出现多峰结构,即连续闪烁两三次,甚至更多。

朱炜玮表示,此次发现的新源就连续闪烁了3次,每次闪烁的间隔约为5毫秒,第一次暴发的能量最高,后两次暴发的能量大致相当,但比第一次“暗”很多。“这与人们观测到的首个重复射电暴FRB 121102的脉冲结构十分相似。”

但是,当被问及是否能够就此判定该新源为重复射电暴时,朱炜玮的回答是否定的,“由于我们对快速射电暴的形成机制尚不了解,仅凭多峰结构无法为快速射电暴贴上‘重复’标签,今后我们会继续紧盯FRB 181123,观测其是否重复暴发。”

如何判断FRB 181123源自宇宙深处?

李菂在接受科技日报采访时指出,脉冲信号与星际及星系际电子相互作用,不同频率的电磁波传播速度不同导致色散,跟光线通过云层产生彩虹有同样的物理基础。频率高的光子速度快,会先到达地球,通过测量不同频率的光子到达地球的时间,就可以计算出快速射电暴的色散程度。色散量越高,也就意味着光子的旅程越漫长,离地球也就越远。此次发现的新源色散量约为FRB 121102的三倍,意味着该新源来自更远的宇宙深处。

“经估算,该脉冲信号可能在宇宙中跋涉了约百亿年,最终在2018年11月23日被FAST‘捕获’。”朱炜玮说。

“这一新发现有赖于FAST超高的灵敏度。”李菂进一步解释,射电望远镜同光学望远镜一样,口径越大,灵敏度就越高,接收到的电磁波就越多,探测能力就越强。如果将FRB 181123绘在星空画布上,它可能就是极淡的一抹色彩。就像2018年FAST探测到有史以来最暗弱的毫秒脉冲星之一,很多其他国家的望远镜看了很多次却都没有看到这颗脉冲星,这充分证明了FAST的“火眼金睛”。

AI筛图助学者“大海捞针”

除了FAST超强的硬件配置,后期数据的软件处理也是寻找到快速射电暴新源的关键之一。

“我们发现新源的数据源自FAST的‘多科学目标漂移扫描巡天’项目。”朱炜玮回忆,当时FAST正值调试期间,很多工作需要在白天完成,研究人员便利用FAST晚上的“空闲”时间,张开这只“巨眼”,对着天空进行漂移扫描。

漂移扫描是一种简易快捷的扫描方式,即FAST自身保持不动,依托地球本身的自转,就能够让特定天区“一览无余”。当然,操作简洁的背后,是让研究人员十分头痛的海量数据。尤其对于能够同时“望”向19个方向的FAST来讲,数据流每秒钟高达几千兆。

这些数据并非全部为有效数据,相反,大部分是源自地球表面和卫星等的干扰信号。在如此庞杂的信号中想要搜寻出或特殊天文事件的信号,无异捞针。

“以往筛选数据时,一个人往往要看上百万张图像,一天下来头晕眼花。如今,我们采用了深度学习图像识别技术,让AI先把海量数据过一遍,可以近百倍的人工工作量。”朱炜玮说。

地面信号往往色散量很小,信号则不然。研究人员将信号数据转化成二维图像,再将之置于多层神经网络中,利用上述和地面信号色散量等典型特征,筛选出信号,最终“捞”出了这一快速射电暴新源。

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