近期，“中國(guó)天眼”再立新功，發(fā)現(xiàn)來(lái)自宇宙深處的快速射電暴(FRB)新源。研究人員利用自主研發(fā)的搜尋技術(shù)，結(jié)合深度學(xué)習(xí)人工智能技術(shù)(AI)，對(duì)FAST海量的巡天數(shù)據(jù)進(jìn)行快速搜索，發(fā)現(xiàn)了這一新源。近日，該研究成果在線發(fā)表于《天體物理學(xué)快報(bào)》上。
與首個(gè)重復(fù)射電暴脈沖結(jié)構(gòu)相似
“這是FAST通過(guò)盲搜發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)快速射電暴新源，被命名為FRB 181123。這一新源顯示出兩個(gè)特點(diǎn)，一是脈沖輪廓表現(xiàn)為較罕見(jiàn)的三峰結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)通常在重復(fù)射電暴中出現(xiàn);二是色散量高，在已知快速射電暴里位列前茅，由此可判斷其來(lái)自宇宙的極深處?！敝鞜槵|告訴科技日?qǐng)?bào)記者。
快速射電暴是一種持續(xù)僅數(shù)毫秒的神秘射電暴發(fā)現(xiàn)象。以往觀測(cè)到的快速射電暴大部分是一次性的，通常只有單峰結(jié)構(gòu)，即望遠(yuǎn)鏡在某一個(gè)時(shí)間點(diǎn)接收到的光子數(shù)量突然劇烈上升，就像天空突然閃亮，又迅速暗淡下來(lái)。其中只有極少數(shù)是重復(fù)暴發(fā)的快速射電暴，這時(shí)往往會(huì)出現(xiàn)多峰結(jié)構(gòu)，即連續(xù)閃爍兩三次，甚至更多。
朱煒瑋表示，此次發(fā)現(xiàn)的新源就連續(xù)閃爍了3次，每次閃爍的間隔約為5毫秒，第一次暴發(fā)的能量最高，后兩次暴發(fā)的能量大致相當(dāng)，但比第一次“暗”很多。“這與人們觀測(cè)到的首個(gè)重復(fù)射電暴FRB 121102的脈沖結(jié)構(gòu)十分相似。”
但是，當(dāng)被問(wèn)及是否能夠就此判定該新源為重復(fù)射電暴時(shí)，朱煒瑋的回答是否定的，“由于我們對(duì)快速射電暴的形成機(jī)制尚不了解，僅憑多峰結(jié)構(gòu)無(wú)法為快速射電暴貼上‘重復(fù)’標(biāo)簽，今后我們會(huì)繼續(xù)緊盯FRB 181123，觀測(cè)其是否重復(fù)暴發(fā)。”
如何判斷FRB 181123源自宇宙深處?
李菂在接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪時(shí)指出，脈沖信號(hào)與星際及星系際電子相互作用，不同頻率的電磁波傳播速度不同導(dǎo)致色散，跟光線通過(guò)云層產(chǎn)生彩虹有同樣的物理基礎(chǔ)。頻率高的光子速度快，會(huì)先到達(dá)地球，通過(guò)測(cè)量不同頻率的光子到達(dá)地球的時(shí)間，就可以計(jì)算出快速射電暴的色散程度。色散量越高，也就意味著光子的旅程越漫長(zhǎng)，離地球也就越遠(yuǎn)。此次發(fā)現(xiàn)的新源色散量約為FRB 121102的三倍，意味著該新源來(lái)自更遠(yuǎn)的宇宙深處。
“經(jīng)估算，該脈沖信號(hào)可能在宇宙中跋涉了約百億年，最終在2018年11月23日被FAST‘捕獲’?！敝鞜槵|說(shuō)。
“這一新發(fā)現(xiàn)有賴于FAST超高的靈敏度?！崩钋呥M(jìn)一步解釋，射電望遠(yuǎn)鏡同光學(xué)望遠(yuǎn)鏡一樣，口徑越大，靈敏度就越高，接收到的電磁波就越多，探測(cè)能力就越強(qiáng)。如果將FRB 181123繪在星空畫(huà)布上，它可能就是極淡的一抹色彩。就像2018年FAST探測(cè)到有史以來(lái)最暗弱的毫秒脈沖星之一，很多其他國(guó)家的望遠(yuǎn)鏡看了很多次卻都沒(méi)有看到這顆脈沖星，這充分證明了FAST的“火眼金睛”。
AI篩圖助學(xué)者“大海撈針”
除了FAST超強(qiáng)的硬件配置，后期數(shù)據(jù)的軟件處理也是尋找到快速射電暴新源的關(guān)鍵之一。
“我們發(fā)現(xiàn)新源的數(shù)據(jù)源自FAST的‘多科學(xué)目標(biāo)漂移掃描巡天’項(xiàng)目?！敝鞜槵|回憶，當(dāng)時(shí)FAST正值調(diào)試期間，很多工作需要在白天完成，研究人員便利用FAST晚上的“空閑”時(shí)間，張開(kāi)這只“巨眼”，對(duì)著天空進(jìn)行漂移掃描。
漂移掃描是一種簡(jiǎn)易快捷的掃描方式，即FAST自身保持不動(dòng)，依托地球本身的自轉(zhuǎn)，就能夠讓特定天區(qū)“一覽無(wú)余”。當(dāng)然，操作簡(jiǎn)潔的背后，是讓研究人員十分頭痛的海量數(shù)據(jù)。尤其對(duì)于能夠同時(shí)“望”向19個(gè)方向的FAST來(lái)講，數(shù)據(jù)流每秒鐘高達(dá)幾千兆。
這些數(shù)據(jù)并非全部為有效數(shù)據(jù)，相反，大部分是源自地球表面和衛(wèi)星等的干擾信號(hào)。在如此龐雜的信號(hào)中想要搜尋出天體或特殊天文事件的信號(hào)，無(wú)異于大海撈針。
“以往篩選數(shù)據(jù)時(shí)，一個(gè)人往往要看上百萬(wàn)張圖像，一天下來(lái)頭暈眼花。如今，我們采用了深度學(xué)習(xí)圖像識(shí)別技術(shù)，讓AI先把海量數(shù)據(jù)過(guò)一遍，可以減少近百倍的人工工作量?！敝鞜槵|說(shuō)。
地面信號(hào)往往色散量很小，天體信號(hào)則不然。研究人員將信號(hào)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成二維圖像，再將之置于多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，利用上述天體和地面信號(hào)色散量等典型特征，篩選出天體信號(hào)，最終“撈”出了這一快速射電暴新源。
從設(shè)計(jì)、建設(shè)、落成、調(diào)試，再到今年初通過(guò)驗(yàn)收正式開(kāi)放運(yùn)行，“中國(guó)天眼”500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡(FAST)宛如貴州喀斯特洼坑中的一顆明珠，一舉一動(dòng)都牽動(dòng)著天文學(xué)家乃至全國(guó)人民的心。現(xiàn)在看來(lái)一切都是值得的。