“中國(guó)天眼”遭遇海量數(shù)據(jù)考驗(yàn) FAST擁有無(wú)限可能

59顆優(yōu)質(zhì)候選體、44顆脈沖星，這是FAST調(diào)試兩年來(lái)交出的“科學(xué)發(fā)現(xiàn)成績(jī)單”。國(guó)際上沒有先例可循，調(diào)試工作頗具挑戰(zhàn)性，F(xiàn)AST團(tuán)隊(duì)克服重重困難，為FAST矯正視力，讓它轉(zhuǎn)動(dòng)“眼珠”。而在19波束接收機(jī)投入使用后，F(xiàn)AST巡天能力提高了五六倍，視場(chǎng)也擴(kuò)大到原來(lái)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(lái)建成兩周年紀(jì)念日之際，科技日?qǐng)?bào)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(yù)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(guó)際認(rèn)證，包括一顆毫秒脈沖星。對(duì)此，中科院國(guó)家天文臺(tái)FAST工程副研究員錢磊說，F(xiàn)AST還在調(diào)試階段就取得這樣的成果，超出了FAST團(tuán)隊(duì)的預(yù)期。這主要?dú)w功于FAST具有極高的靈敏度，在此之前，由于歷史和設(shè)備原因，國(guó)內(nèi)其他射電望遠(yuǎn)鏡雖已觀測(cè)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(zhuǎn)的中子星，由恒星演化和超新星爆發(fā)產(chǎn)生，其信號(hào)一度被認(rèn)為來(lái)自外星人。宇宙中有大量脈沖星，自轉(zhuǎn)周期極其穩(wěn)定，準(zhǔn)確的時(shí)鐘信號(hào)為引力波探測(cè)、航天器導(dǎo)航等重大科學(xué)及技術(shù)應(yīng)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(rèn)證的呢？

錢磊說，脈沖星的電磁輻射來(lái)自于磁極。在脈沖星轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，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(dāng)脈沖星輻射掃過地球，地面的FAST就收到一個(gè)信號(hào)，記錄到像“心電圖”一樣的系列脈沖。而后，F(xiàn)AST將信號(hào)收集、處理，再翻譯成人類能理解的形式。只是，中間這個(gè)轉(zhuǎn)換的過程非常復(fù)雜。FAST反射面將電信號(hào)匯聚到接收機(jī)，并轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，通過光纜傳回總控室，再把光信號(hào)轉(zhuǎn)換回電信號(hào)，進(jìn)而變成數(shù)字信號(hào)，計(jì)算機(jī)集群則根據(jù)事先設(shè)定好的程序，將這些數(shù)字信號(hào)儲(chǔ)存、計(jì)算，并經(jīng)過分析，識(shí)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(yuǎn)鏡固定不動(dòng)，借助地球自轉(zhuǎn)指向不同天空進(jìn)行盲巡；第二種是對(duì)特定的源進(jìn)行搜尋，包括球狀星團(tuán)、高能費(fèi)米點(diǎn)源和M31等。”中科院國(guó)家天文臺(tái)FAST工程總工程師姜鵬說，觀測(cè)之后就可以對(duì)望遠(yuǎn)鏡數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，尋找可信的周期性信號(hào)，再通過人工進(jìn)行判斷，將其列為候選體，最后通過FAST進(jìn)行重復(fù)觀測(cè)或者由其他望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)進(jìn)行認(rèn)證。目前，在FAST發(fā)現(xiàn)的44顆脈沖星中，有25顆是FAST自己進(jìn)行認(rèn)證的，其余的是通過合作的澳大利亞Parkes64米望遠(yuǎn)鏡、德國(guó)Effelsberg100米望遠(yuǎn)鏡等進(jìn)行觀測(cè)認(rèn)證。

海量數(shù)據(jù)帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)

除了搜索脈沖星，F(xiàn)AST其實(shí)還有著更重要的科學(xué)目標(biāo)，包括探測(cè)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?？梢哉f，擁有世界領(lǐng)先的絕對(duì)靈敏度，讓FAST擁有無(wú)限的可能。

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

“這一次有沒有可能發(fā)現(xiàn)外星人？”面對(duì)科技日?qǐng)?bào)記者的追問，錢磊解釋說，如果確實(shí)有外星人的存在，而他們也正好使用無(wú)線電的話，那他們應(yīng)該逃不過FAST的“火眼金睛”。針對(duì)外國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)月球表面存在水冰的消息，錢磊表示，在雷達(dá)的配合下，F(xiàn)AST也有可能開展相關(guān)探測(cè)。

如今，幾個(gè)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(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)，給FAST團(tuán)隊(duì)帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。觀測(cè)時(shí)，以前每秒鐘最多只產(chǎn)生2G的數(shù)據(jù)?，F(xiàn)在，峰值數(shù)據(jù)率每秒可以達(dá)到38G。由于存儲(chǔ)和計(jì)算能力有限，他們只能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，降低數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)范圍，但仍然有數(shù)據(jù)堆積的危險(xiǎn)，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(guó)電信建設(shè)的數(shù)據(jù)中心，將以中國(guó)電信天翼云為基礎(chǔ)，依托中國(guó)電信強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢(shì)和平臺(tái)能力，整合海量高速存儲(chǔ)和高速計(jì)算單元，為FAST提供超算中心服務(wù)，以及高速網(wǎng)絡(luò)接入和信息通信支撐保障。按照規(guī)劃，這個(gè)數(shù)據(jù)中心最終將為FAST提供100PB的存儲(chǔ)容量。同時(shí)，位于貴州師范大學(xué)內(nèi)的FAST早期科學(xué)數(shù)據(jù)中心，也正著手?jǐn)U容。

截至目前，F(xiàn)AST積累了1000多小時(shí)的觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)，科學(xué)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)總量約2.8PB。

預(yù)計(jì)明年完成調(diào)試

FAST是世界上口徑最大、最靈敏的射電望遠(yuǎn)鏡。500米口徑，其接收電波的面積相當(dāng)于30個(gè)足球場(chǎng)那么大，足足可以“裝”下8個(gè)“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(dú)一無(wú)二的喀斯特巨型洼地作為臺(tái)址，F(xiàn)AST自主發(fā)明變形反射面，采用光機(jī)電一體化技術(shù)，自主提出輕型索拖動(dòng)饋源支撐系統(tǒng)和并聯(lián)機(jī)器人，實(shí)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(yuǎn)?？茖W(xué)家打過比方，以它的靈敏度，即便有人在月亮上打手機(jī)，也能被“看見”。

調(diào)試兩年來(lái)，因?yàn)閲?guó)際上沒有先例，很多問題只能靠FAST團(tuán)隊(duì)自己解決。姜鵬說，巨型望遠(yuǎn)鏡調(diào)試是一項(xiàng)強(qiáng)交叉學(xué)科的應(yīng)用性研究，國(guó)際上傳統(tǒng)大射電望遠(yuǎn)鏡的調(diào)試周期很少低于四年，而FAST開創(chuàng)了建造巨型射電望遠(yuǎn)鏡的新模式，它的調(diào)試工作也很有挑戰(zhàn)性。

相對(duì)其他望遠(yuǎn)鏡來(lái)說，F(xiàn)AST的系統(tǒng)構(gòu)成更加復(fù)雜。經(jīng)過FAST團(tuán)隊(duì)的努力，實(shí)時(shí)力學(xué)仿真技術(shù)大幅提升了望遠(yuǎn)鏡對(duì)設(shè)備故障的容忍度，饋源支撐系統(tǒng)也實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)集成，F(xiàn)AST實(shí)現(xiàn)了對(duì)特定目標(biāo)的跟蹤觀測(cè)，并穩(wěn)定地獲取了目標(biāo)源射電信號(hào)。并且，隨著調(diào)試工作的深入開展，F(xiàn)AST的性能也得到明顯改善。“FAST科學(xué)團(tuán)隊(duì)能在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)望遠(yuǎn)鏡的功能性調(diào)試，完成了最困難、最有風(fēng)險(xiǎn)的調(diào)試環(huán)節(jié)。”姜鵬說，不出意外的話，F(xiàn)AST預(yù)計(jì)明年完成全部調(diào)試。

“感官安寧，萬(wàn)籟無(wú)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(jìn)入它無(wú)垠的廣袤……”已故的中科院國(guó)家天文臺(tái)研究員、FAST工程首席科學(xué)家兼總工程師南仁東詩(shī)一般的語(yǔ)言，讓人們對(duì)FAST的未來(lái)滿懷憧憬。