“中國天眼”遭遇海量數(shù)據(jù)考驗 FAST擁有無限可能

59顆優(yōu)質候選體、44顆脈沖星，這是FAST調試兩年來交出的“科學發(fā)現(xiàn)成績單”。國際上沒有先例可循，調試工作頗具挑戰(zhàn)性，F(xiàn)AST團隊克服重重困難，為FAST矯正視力，讓它轉動“眼珠”。而在19波束接收機投入使用后，F(xiàn)AST巡天能力提高了五六倍，視場也擴大到原來的19倍，除了脈沖星，F(xiàn)AST是否有最新的發(fā)現(xiàn)？9月15日，在FAST即將迎來建成兩周年紀念日之際，科技日報記者故地重訪卻了解到，F(xiàn)AST遇到了挑戰(zhàn)——

脈沖星發(fā)現(xiàn)“超過預期”

截至目前，F(xiàn)AST共發(fā)現(xiàn)了44顆脈沖星，其中19顆獲得國際認證，包括一顆毫秒脈沖星。對此，中科院國家天文臺FAST工程副研究員錢磊說，F(xiàn)AST還在調試階段就取得這樣的成果，超出了FAST團隊的預期。這主要歸功于FAST具有極高的靈敏度，在此之前，由于歷史和設備原因，國內其他射電望遠鏡雖已觀測到多顆已知脈沖星，但從未發(fā)現(xiàn)過新脈沖星。

脈沖星是旋轉的中子星，由恒星演化和超新星爆發(fā)產生，其信號一度被認為來自外星人。宇宙中有大量脈沖星，自轉周期極其穩(wěn)定，準確的時鐘信號為引力波探測、航天器導航等重大科學及技術應用提供了理想工具。

那么，F(xiàn)AST是怎么發(fā)現(xiàn)脈沖星的？這些脈沖星又是怎么認證的呢？

錢磊說，脈沖星的電磁輻射來自于磁極。在脈沖星轉動時，磁極發(fā)出的電磁輻射束像海岸上的燈塔一樣，掃過天空。每當脈沖星輻射掃過地球，地面的FAST就收到一個信號，記錄到像“心電圖”一樣的系列脈沖。而后，F(xiàn)AST將信號收集、處理，再翻譯成人類能理解的形式。只是，中間這個轉換的過程非常復雜。FAST反射面將電信號匯聚到接收機，并轉換成光信號，通過光纜傳回總控室，再把光信號轉換回電信號，進而變成數(shù)字信號，計算機集群則根據(jù)事先設定好的程序，將這些數(shù)字信號儲存、計算，并經過分析，識別出能夠代表脈沖星的一系列特征。

“FAST的搜尋主要有兩種模式，第一種是通過漂移掃描，即望遠鏡固定不動，借助地球自轉指向不同天空進行盲巡；第二種是對特定的源進行搜尋，包括球狀星團、高能費米點源和M31等。”中科院國家天文臺FAST工程總工程師姜鵬說，觀測之后就可以對望遠鏡數(shù)據(jù)進行分析，尋找可信的周期性信號，再通過人工進行判斷，將其列為候選體，最后通過FAST進行重復觀測或者由其他望遠鏡觀測進行認證。目前，在FAST發(fā)現(xiàn)的44顆脈沖星中，有25顆是FAST自己進行認證的，其余的是通過合作的澳大利亞Parkes64米望遠鏡、德國Effelsberg100米望遠鏡等進行觀測認證。

海量數(shù)據(jù)帶來巨大挑戰(zhàn)

除了搜索脈沖星，F(xiàn)AST其實還有著更重要的科學目標，包括探測中性氫，以揭示宇宙膨脹、星系形成及演化的奧秘，以及搜尋可能存在的外星生命等等。可以說，擁有世界領先的絕對靈敏度，讓FAST擁有無限的可能。

今年6月初，隨著19波束饋源接收機的投入使用，F(xiàn)AST巡天速度提高了5到6倍，視場也擴大至原來的19倍。這意味著“武功”更高，F(xiàn)AST或許能給我們帶來更大的驚喜。

“這一次有沒有可能發(fā)現(xiàn)外星人？”面對科技日報記者的追問，錢磊解釋說，如果確實有外星人的存在，而他們也正好使用無線電的話，那他們應該逃不過FAST的“火眼金睛”。針對外國科學家發(fā)現(xiàn)月球表面存在水冰的消息，錢磊表示，在雷達的配合下，F(xiàn)AST也有可能開展相關探測。

如今，幾個月過去了，F(xiàn)AST到底有什么重大發(fā)現(xiàn)？姜鵬坦言，用上了19波束，F(xiàn)AST所產生的海量數(shù)據(jù)，給FAST團隊帶來了巨大的挑戰(zhàn)。觀測時，以前每秒鐘最多只產生2G的數(shù)據(jù)。現(xiàn)在，峰值數(shù)據(jù)率每秒可以達到38G。由于存儲和計算能力有限，他們只能對數(shù)據(jù)進行壓縮，降低數(shù)據(jù)的動態(tài)范圍，但仍然有數(shù)據(jù)堆積的危險，這是以往所沒有遇到過的事情。

不過，在FAST數(shù)據(jù)中心投用后，問題將得以緩解。由FAST聯(lián)手中國電信建設的數(shù)據(jù)中心，將以中國電信天翼云為基礎，依托中國電信強大的網絡優(yōu)勢和平臺能力，整合海量高速存儲和高速計算單元，為FAST提供超算中心服務，以及高速網絡接入和信息通信支撐保障。按照規(guī)劃，這個數(shù)據(jù)中心最終將為FAST提供100PB的存儲容量。同時，位于貴州師范大學內的FAST早期科學數(shù)據(jù)中心，也正著手擴容。

截至目前，F(xiàn)AST積累了1000多小時的觀測時長，科學數(shù)據(jù)存儲總量約2.8PB。

預計明年完成調試

FAST是世界上口徑最大、最靈敏的射電望遠鏡。500米口徑，其接收電波的面積相當于30個足球場那么大，足足可以“裝”下8個“鳥巢”體育館。如果要給這口“大鍋”裝滿礦泉水，足以讓全世界每人喝上4瓶。

利用地球上獨一無二的喀斯特巨型洼地作為臺址，F(xiàn)AST自主發(fā)明變形反射面，采用光機電一體化技術，自主提出輕型索拖動饋源支撐系統(tǒng)和并聯(lián)機器人，實現(xiàn)高精度指向跟蹤。FAST的大，大得有道理。只有口徑越大，才能“看”得越遠?？茖W家打過比方，以它的靈敏度，即便有人在月亮上打手機，也能被“看見”。

調試兩年來，因為國際上沒有先例，很多問題只能靠FAST團隊自己解決。姜鵬說，巨型望遠鏡調試是一項強交叉學科的應用性研究，國際上傳統(tǒng)大射電望遠鏡的調試周期很少低于四年，而FAST開創(chuàng)了建造巨型射電望遠鏡的新模式，它的調試工作也很有挑戰(zhàn)性。

相對其他望遠鏡來說，F(xiàn)AST的系統(tǒng)構成更加復雜。經過FAST團隊的努力，實時力學仿真技術大幅提升了望遠鏡對設備故障的容忍度，饋源支撐系統(tǒng)也實現(xiàn)了系統(tǒng)集成，F(xiàn)AST實現(xiàn)了對特定目標的跟蹤觀測，并穩(wěn)定地獲取了目標源射電信號。并且，隨著調試工作的深入開展，F(xiàn)AST的性能也得到明顯改善。“FAST科學團隊能在短期內實現(xiàn)望遠鏡的功能性調試，完成了最困難、最有風險的調試環(huán)節(jié)。”姜鵬說，不出意外的話，F(xiàn)AST預計明年完成全部調試。

“感官安寧，萬籟無聲，美麗的宇宙太空以它的神秘和絢麗，召喚我們踏過平庸，進入它無垠的廣袤……”已故的中科院國家天文臺研究員、FAST工程首席科學家兼總工程師南仁東詩一般的語言，讓人們對FAST的未來滿懷憧憬。