“中國天眼”遭遇考驗預計明年完成調試
59顆優(yōu)質(zhì)候選體、44顆脈沖星，這是FAST調試兩年來(lái)交出的“科學(xué)發(fā)現成績(jì)單”。國際上沒(méi)有先例可循，調試工作頗具挑戰性，FAST團隊克服重重困難，為FAST矯正視力，讓它轉動(dòng)“眼珠”。而在19波束接收機投入使用后，FAST巡天能力提高了五六倍，視場(chǎng)也擴大到原來(lái)的19倍，除了脈沖星，FAST是否有最新的發(fā)現?9月15日，在FAST即將迎來(lái)建成兩周年紀念日之際，記者故地重訪(fǎng)卻了解到，FAST遇到了挑戰——
脈沖星發(fā)現“超過(guò)預期”
截至目前，FAST共發(fā)現了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(qián)磊說(shuō)，FAST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(guān)測到多顆已知脈沖星，但從未發(fā)現過(guò)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(chǎn)生，其信號一度被認為來(lái)自外星人。宇宙中有大量脈沖星，自轉周期極其穩定，準確的時(shí)鐘信號為引力波探測、航天器導航等重大科學(xué)及技術(shù)應用提供了理想工具。
那么，FAST是怎么發(fā)現脈沖星的?這些脈沖星又是怎么認證的呢?
錢(qián)磊說(shuō)，脈沖星的電磁輻射來(lái)自于磁極。在脈沖星轉動(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(guò)天空。每當脈沖星輻射掃過(guò)地球，地面的FAST就收到一個(gè)信號，記錄到像“心電圖”一樣的系列脈沖。而后，FAST將信號收集、處理，再翻譯成人類(lèi)能理解的形式。只是，中間這個(gè)轉換的過(guò)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(guò)光纜傳回總控室，再把光信號轉換回電信號，進(jìn)而變成數字信號，計算機集群則根據事先設定好的程序，將這些數字信號儲存、計算，并經(jīng)過(guò)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(guò)漂移掃描，即望遠鏡固定不動(dòng)，借助地球自轉指向不同天空進(jìn)行盲巡;第二種是對特定的源進(jìn)行搜尋，包括球狀星團、高能費米點(diǎn)源和M31等。”中科院國家天文臺FAST工程總工程師姜鵬說(shuō)，觀(guān)測之后就可以對望遠鏡數據進(jìn)行分析，尋找可信的周期性信號，再通過(guò)人工進(jìn)行判斷，將其列為候選體，最后通過(guò)FAST進(jìn)行重復觀(guān)測或者由其他望遠鏡觀(guān)測進(jìn)行認證。目前，在FAST發(fā)現的44顆脈沖星中，有25顆是FAST自己進(jìn)行認證的，其余的是通過(guò)合作的澳大利亞Parkes64米望遠鏡、德國Effelsberg100米望遠鏡等進(jìn)行觀(guān)測認證。
海量數據帶來(lái)巨大挑戰
除了搜索脈沖星，FAST其實(shí)還有著(zhù)更重要的科學(xué)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?？梢哉f(shuō)，擁有世界領(lǐng)先的絕對靈敏度，讓FAST擁有無(wú)限的可能。
今年6月初，隨著(zhù)19波束饋源接收機的投入使用，FAST巡天速度提高了5到6倍，視場(chǎng)也擴大至原來(lái)的19倍。這意味著(zhù)“武功”更高，FAST或許能給我們帶來(lái)更大的驚喜。
“這一次有沒(méi)有可能發(fā)現外星人?”面對科技日報記者的追問(wèn)，錢(qián)磊解釋說(shuō)，如果確實(shí)有外星人的存在，而他們也正好使用無(wú)線(xiàn)電的話(huà)，那他們應該逃不過(guò)FAST的“火眼金睛”。針對外國科學(xué)家發(fā)現月球表面存在水冰的消息，錢(qián)磊表示，在雷達的配合下，FAST也有可能開(kāi)展相關(guān)探測。
如今，幾個(gè)月過(guò)去了，FAST到底有什么重大發(fā)現?姜鵬坦言，用上了19波束，FAST所產(chǎn)生的海量數據，給FAST團隊帶來(lái)了巨大的挑戰。觀(guān)測時(shí)，以前每秒鐘最多只產(chǎn)生2G的數據?，F在，峰值數據率每秒可以達到38G。由于存儲和計算能力有限，他們只能對數據進(jìn)行壓縮，降低數據的動(dòng)態(tài)范圍，但仍然有數據堆積的危險，這是以往所沒(méi)有遇到過(guò)的事情。
不過(guò)，在FAST數據中心投用后，問(wèn)題將得以緩解。由FAST聯(lián)手中國電信建設的數據中心，將以中國電信天翼云為基礎，依托中國電信強大的網(wǎng)絡(luò )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(wù)，以及高速網(wǎng)絡(luò )接入和信息通信支撐保障。按照規劃，這個(gè)數據中心最終將為FAST提供100PB的存儲容量。同時(shí)，位于貴州師范大學(xué)內的FAST早期科學(xué)數據中心，也正著(zhù)手擴容。
截至目前，FAST積累了1000多小時(shí)的觀(guān)測時(shí)長(cháng)，科學(xué)數據存儲總量約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(gè)足球場(chǎng)那么大，足足可以“裝”下8個(gè)“鳥(niǎo)巢”體育館。如果要給這口“大鍋”裝滿(mǎn)礦泉水，足以讓全世界每人喝上4瓶。
利用地球上獨一無(wú)二的喀斯特巨型洼地作為臺址，FAST自主發(fā)明變形反射面，采用光機電一體化技術(shù)，自主提出輕型索拖動(dòng)饋源支撐系統和并聯(lián)機器人，實(shí)現高精度指向跟蹤。FAST的大，大得有道理。只有口徑越大，才能“看”得越遠?？茖W(xué)家打過(guò)比方，以它的靈敏度，即便有人在月亮上打手機，也能被“看見(jiàn)”。
調試兩年來(lái)，因為國際上沒(méi)有先例，很多問(wèn)題只能靠FAST團隊自己解決。姜鵬說(shuō)，巨型望遠鏡調試是一項強交叉學(xué)科的應用性研究，國際上傳統大射電望遠鏡的調試周期很少低于四年，而FAST開(kāi)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性。
相對其他望遠鏡來(lái)說(shuō)，FAST的系統構成更加復雜。經(jīng)過(guò)FAST團隊的努力，實(shí)時(shí)力學(xué)仿真技術(shù)大幅提升了望遠鏡對設備故障的容忍度，饋源支撐系統也實(shí)現了系統集成，FAST實(shí)現了對特定目標的跟蹤觀(guān)測，并穩定地獲取了目標源射電信號。并且，隨著(zhù)調試工作的深入開(kāi)展，FAST的性能也得到明顯改善。“FAST科學(xué)團隊能在短期內實(shí)現望遠鏡的功能性調試，完成了最困難、最有風(fēng)險的調試環(huán)節。”姜鵬說(shuō)，不出意外的話(huà)，FAST預計明年完成全部調試。
“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(guò)平庸，進(jìn)入它無(wú)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(xué)家兼總工程師南仁東詩(shī)一般的語(yǔ)言，讓人們對FAST的未來(lái)滿(mǎn)懷憧憬。(記者 何星輝通訊員 李官杰 洪 永)
