漫漫星空，探索未有窮期
國家天文臺銀道面脈沖星巡天項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)——
漫漫星空，探索未有窮期（講述·弘揚(yáng)科學(xué)家精神）
本報(bào)記者 施 芳 《 人民日報(bào) 》（ 2023年02月02日 第 06 版）
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依托中國天眼（FAST），國家天文臺銀道面脈沖星巡天項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)在短短3年內(nèi)發(fā)現(xiàn)了520顆脈沖星，改變了我國在脈沖星搜尋與研究領(lǐng)域過去長期沒有話語權(quán)的局面。目前，團(tuán)隊(duì)核心成員有15人，平均年齡31歲。
老舊的辦公桌上放著一摞厚厚的文獻(xiàn)，攤開的筆記本寫得密密麻麻，10多把椅子散放著……會(huì)議室里，一場激烈的討論剛剛結(jié)束。
“脈沖星搜尋工作是以秒來計(jì)算的……”在國家天文臺一間陳設(shè)簡陋的辦公室里，銀道面脈沖星巡天項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人韓金林研究員緊盯著電腦屏幕說。前不久，團(tuán)隊(duì)利用中國天眼（FAST），揭示了銀河系星際介質(zhì)前所未見的細(xì)節(jié)。他們在搜尋銀河系內(nèi)脈沖星的過程中，同步記錄了星際介質(zhì)的譜線數(shù)據(jù)，揭示出銀河系內(nèi)中性氫氣體的精致結(jié)構(gòu)和電離氣體的彌漫特征；還測量了大量暗弱脈沖星的法拉第效應(yīng)，顯現(xiàn)出銀河系內(nèi)大范圍的磁場特征；新證認(rèn)出兩例超新星爆炸的遺跡。這些研究結(jié)果對理解銀河系內(nèi)的星際生態(tài)循環(huán)有重要意義。系列論文于2022年12月10日作為特別專題發(fā)表在我國綜合國際期刊《中國科學(xué)：物理學(xué) 力學(xué) 天文學(xué)》上。
用中國望遠(yuǎn)鏡做出的原創(chuàng)性成果，呈現(xiàn)在中國的學(xué)術(shù)期刊上
脈沖星是大質(zhì)量恒星死亡后的殘骸，是宇宙中密度最高、磁場最強(qiáng)、自轉(zhuǎn)最快、相對論效應(yīng)最顯著的天體，是研究宇宙極端環(huán)境下物理規(guī)律的理想實(shí)驗(yàn)室。脈沖星的發(fā)現(xiàn)和研究，是國際上大射電望遠(yuǎn)鏡的關(guān)鍵科學(xué)目標(biāo)之一。
1968年首次發(fā)現(xiàn)脈沖星后的50余年間，全世界一共發(fā)現(xiàn)3300多顆脈沖星。由于大型望遠(yuǎn)鏡和專業(yè)人才的稀缺，中國在脈沖星的搜尋與研究方面起步較晚。
2016年，隨著FAST的建成，這種狀況得以扭轉(zhuǎn)。截至2022年12月，我國科學(xué)家累計(jì)發(fā)現(xiàn)約720顆脈沖星，其中大部分是韓金林帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)的，包括一批最暗弱的脈沖星、挑戰(zhàn)當(dāng)代銀河系電子分布模型的大色散量脈沖星等。
2020年10月初的一天，韓金林遇到《天文和天體物理學(xué)研究》執(zhí)行主編、中國科學(xué)院院士汪景琇，興奮地分享了最新成果：“我們團(tuán)隊(duì)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了100多顆脈沖星！”汪景琇聽了很振奮，當(dāng)即約稿：“把成果論文發(fā)表在咱們刊物上吧！”
“論文寫作就持續(xù)了好幾個(gè)月，其間經(jīng)歷數(shù)百遍修改，光用于期刊封面的那幅圖，就改了幾十遍。”團(tuán)隊(duì)成員、博士生景威聰說，“脈沖星發(fā)現(xiàn)數(shù)目在不斷刷新，我們發(fā)表的只是這篇論文被期刊接受那天脈沖星的發(fā)現(xiàn)數(shù)�！�
“在印刷的前一天下午，韓老師還加了一幅圖，以便讓讀者更直觀地感知新發(fā)現(xiàn)�！薄短煳暮吞祗w物理學(xué)研究》編輯部主任溫亞媛說，“這是用中國望遠(yuǎn)鏡做出的原創(chuàng)性成果，他要力求完美地呈現(xiàn)在中國的學(xué)術(shù)期刊上�！�
2021年5月，銀道面脈沖星巡天項(xiàng)目的首篇論文在《天文和天體物理學(xué)研究》上發(fā)表�！拔覀冋谶M(jìn)行的銀道面脈沖星快照巡天項(xiàng)目，是銀河系系統(tǒng)性搜尋首次進(jìn)入到微央斯基量級的深水區(qū)，超越國際其他巡測靈敏度一個(gè)量級�！蓖艟艾L說，“這篇論文是將優(yōu)秀科研成果發(fā)表在中國學(xué)術(shù)期刊上的表率�！痹撜撐拇撕螳@得中國科協(xié)第六屆優(yōu)秀科技論文遴選計(jì)劃的優(yōu)秀論文獎(jiǎng)。
澳大利亞科學(xué)院院士曼徹斯特對論文給予高度評價(jià)：“銀道面脈沖星巡天項(xiàng)目僅觀測了可觀測天區(qū)的一小部分，就將已知毫秒脈沖星的數(shù)量增加了近10%，這是一個(gè)了不起的成就�！�
團(tuán)隊(duì)協(xié)作，探索快照模式，大幅提高觀測效率
“這些成果是團(tuán)隊(duì)一起摸爬滾打做出來的。”韓金林感慨道。
傳統(tǒng)的望遠(yuǎn)鏡觀測模式一般是一個(gè)點(diǎn)一個(gè)點(diǎn)地觀測。FAST安裝了19個(gè)接收機(jī)，意味著同一時(shí)刻可以把天上19個(gè)位置上任何星體發(fā)出的信號都記錄下來�！拔覀冊诖嘶A(chǔ)上突破創(chuàng)新，采用了更高效的觀測模式，即快照模式。這19個(gè)接收機(jī)仿佛19只凝視星空的眼睛，通過快速微調(diào)望遠(yuǎn)鏡，讓‘眼睛’略微轉(zhuǎn)動(dòng)，把一整塊天區(qū)全部覆蓋，大幅提高觀測效率�！表n金林說。
為了測試快照模式，并驗(yàn)證銀道面脈沖星巡天項(xiàng)目的可行性，2019年3月17日，國家天文臺副研究員王陳等6人趕赴1700多公里之外的深山——貴州省黔南布依族苗族自治州平塘縣克度鎮(zhèn)大窩凼，F(xiàn)AST就坐落于此。
“FAST的接收面積相當(dāng)于30個(gè)標(biāo)準(zhǔn)足球場，沿著望遠(yuǎn)鏡走一圈大約1.6公里。”王陳被眼前的景象深深震撼，“我們一定要用好它！”
觀測試驗(yàn)分為3個(gè)小隊(duì)：一隊(duì)由高旭陽和侯立剛負(fù)責(zé)19波束分布測試；二隊(duì)由王陳和孫京海負(fù)責(zé)快照模式控制的測試；三隊(duì)由王鵬飛和王濤負(fù)責(zé)脈沖星數(shù)據(jù)處理流程開發(fā)。當(dāng)晚，第一次觀測試驗(yàn)開始。按照事先計(jì)算的結(jié)果，如果19波束排布圖準(zhǔn)確，那么FAST的第十八個(gè)波束應(yīng)該能看到一顆明亮的脈沖星，結(jié)果一無所獲，加之試驗(yàn)時(shí)間有限，大家頓感壓力巨大。
經(jīng)過緊張的復(fù)核，仔細(xì)檢查每一行代碼，最后發(fā)現(xiàn)是接收機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向與預(yù)期相反導(dǎo)致的。大家立即改正程序，展開第二次測試。3月21日下午，大家屏息凝神，等待觀測結(jié)果。一條條明亮的脈沖清晰出現(xiàn)在電腦屏幕中央，“看到了，看到脈沖星了！”這是項(xiàng)目組第一次利用FAST觀測到脈沖星，所有人心中都充滿了無限自豪。
為了配合一隊(duì)、二隊(duì)的進(jìn)度，三隊(duì)幾乎不眠不休開發(fā)軟件，全力為快照觀測模式下的數(shù)據(jù)處理提供基礎(chǔ)程序，并為后續(xù)搜尋工作做準(zhǔn)備。這3個(gè)小組相互獨(dú)立又高度協(xié)作，幾天內(nèi)就完成了測試任務(wù)。數(shù)據(jù)表明，觀測同樣面積的天區(qū)并達(dá)到相同的靈敏度，快照模式僅需21分鐘，傳統(tǒng)的跟蹤觀測模式則需要40到60分鐘。
“一個(gè)看似不起眼的小錯(cuò)誤都可能帶來大麻煩�！表n金林說。他搭建了一個(gè)脈沖星搜尋流水線，把用于搜尋的各個(gè)模塊都串聯(lián)起來，以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化搜尋脈沖星的目標(biāo)。脈沖星搜尋需要遍歷所有可能的色散量，幾個(gè)月后，團(tuán)隊(duì)突然發(fā)現(xiàn)，搜尋結(jié)果中少了一批脈沖星。經(jīng)過排查，最終發(fā)現(xiàn)是早期的一個(gè)模塊中，有一行程序少了一個(gè)逗號。修改這個(gè)錯(cuò)誤后，項(xiàng)目組不得不將之前幾個(gè)月的海量數(shù)據(jù)重新處理，否則就會(huì)遺漏大量的脈沖星。
吃苦耐勞，爭分奪秒，實(shí)現(xiàn)搜尋工作持續(xù)迭代
“十小時(shí)工作制”，韓金林常對團(tuán)隊(duì)里的年輕人這樣說。實(shí)際上，韓金林付出的精力遠(yuǎn)不止于此�！绊n老師經(jīng)常工作到半夜一兩點(diǎn)，第二天一大早又來辦公室，幾乎全年無休�！辈┦可鯘f。
受韓金林的影響，項(xiàng)目組的年輕人也是早來晚走，有時(shí)干脆睡在辦公室里�！坝幸淮未竽瓿跻唬⑿湃豪镞�在討論任務(wù)。半夜一兩點(diǎn)微信群里還有新消息，更是常事�！辈┦可艿陆f。
2019年9月，為了取得階段性成果，韓金林帶領(lǐng)學(xué)生處理FAST調(diào)試數(shù)據(jù)，力求在較短時(shí)間里能有更多發(fā)現(xiàn)。當(dāng)時(shí)項(xiàng)目組已觀測了五六十個(gè)天區(qū)，每個(gè)天區(qū)都能產(chǎn)生幾千甚至上萬個(gè)脈沖星候選體的圖片，但其中九成以上都是干擾信號。由于早先國際版人工智能打分程序?qū)Ω蓴_剔除不夠充分，只能人工進(jìn)一步篩選出真正的脈沖星信號。
同學(xué)們輪番上陣，24小時(shí)連軸轉(zhuǎn)，硬是在3天內(nèi)從20多萬張圖片中把20多顆優(yōu)質(zhì)的脈沖星篩選出來了！“真是沙里淘金，長時(shí)間緊盯電腦屏幕，眼睛又澀又酸。”團(tuán)隊(duì)成員顏一說，但看到20多顆優(yōu)質(zhì)脈沖星，感覺一切都是值得的。
國外現(xiàn)有程序是按照特定望遠(yuǎn)鏡參數(shù)設(shè)置的，并不適用于處理FAST搜索數(shù)據(jù)；逃過AI篩選的干擾信號數(shù)量很大，人工篩選不是長久之計(jì)。項(xiàng)目組總結(jié)了干擾信號的特征，認(rèn)為完全可以想辦法直接剔除。為了能寫出一個(gè)計(jì)算速度快、應(yīng)用效果好的程序，周德江吃住都在辦公室�！斑@些年輕人個(gè)個(gè)都是好樣的！他們吃苦耐勞，為團(tuán)隊(duì)節(jié)省了不少時(shí)間和資源�！表n金林贊嘆道。經(jīng)過團(tuán)隊(duì)共同努力，脈沖星搜尋工作終于實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，并且一直更新?lián)Q代。
功夫不負(fù)有心人。2019年底，經(jīng)過FAST科學(xué)委員會(huì)征集、評估和遴選，銀道面脈沖星巡天項(xiàng)目最終被列入FAST五個(gè)重大項(xiàng)目之一，2020年初正式開啟巡天觀測。截至目前，項(xiàng)目共計(jì)觀測了約300平方度的銀道面區(qū)域，占項(xiàng)目總體規(guī)劃的10%，但已經(jīng)取得了豐碩的科學(xué)成果。2020年底和2022年底，這支年輕的隊(duì)伍兩次被評為國家天文臺優(yōu)秀科研團(tuán)隊(duì)。
“我們趕上了一個(gè)好時(shí)候，一分一秒都耽誤不得�！表n金林說。早年，中國沒有大型望遠(yuǎn)鏡，天文學(xué)研究嚴(yán)重受限。韓金林曾爭取到澳大利亞帕克斯望遠(yuǎn)鏡600多個(gè)小時(shí)的使用機(jī)會(huì)，他分秒必爭地觀測，最終和北京大學(xué)天文系教授喬國俊合作完成銀河系磁場的研究，獲得2006年度國家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)�！澳阋^續(xù)努力，再攀高峰！”韓金林永遠(yuǎn)銘記著導(dǎo)師王綬琯院士的諄諄囑托。
目前FAST執(zhí)行的天文觀測項(xiàng)目有160多個(gè)，每個(gè)項(xiàng)目觀測的時(shí)間都掐秒計(jì)時(shí)。“我們希望用5年左右時(shí)間完成全部內(nèi)銀道面和部分外銀道面的巡天觀測，爭取發(fā)現(xiàn)1000顆脈沖星。通過深入研究新發(fā)現(xiàn)的天體，來檢驗(yàn)現(xiàn)有的物理模型，乃至發(fā)現(xiàn)新的物理規(guī)律�！表n金林充滿信心地說，“再用8到10年，爭取把銀河系看遍！”
靠奮斗，從跟跑、并跑到領(lǐng)跑（記者手記）
“整整浪費(fèi)了15分鐘吶！”有一回，團(tuán)隊(duì)成員因?yàn)橥涥P(guān)閉望遠(yuǎn)鏡校準(zhǔn)校號，導(dǎo)致15分鐘的觀測數(shù)據(jù)無法使用。項(xiàng)目需要觀測數(shù)萬次，每次要在界面上人工點(diǎn)擊輸入幾十個(gè)參數(shù)，難免出錯(cuò)。但時(shí)至今日，記者仍然真切地感受到韓金林深深的惋惜……
惜時(shí)如金，既是出于對大科學(xué)裝置巨額投入和使用效率的考量，也是這些青年科技工作者責(zé)任感和使命感的體現(xiàn)。正是幾代天文工作者自覺接續(xù)奮斗，勇攀高峰，才使中國在脈沖星觀測和研究等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)從跟跑、并跑到領(lǐng)跑的跨越。
漫漫星空，探索未有窮期。一棒接著一棒跑，中國的天文事業(yè)必將抵達(dá)一個(gè)個(gè)新高度。
（責(zé)任編輯：歐云海）
