“中國天眼”再立功 發現罕見快速射電暴“三連閃”

2020年06月03日08:36  來源:科技日報
 
原標題:“中國天眼”再立功 發現罕見快速射電暴“三連閃”

從設計、建設、落成、調試,再到今年初通過驗收正式開放運行,“中國天眼”500米口徑球面射電望遠鏡(FAST)宛如貴州喀斯特窪坑中的一顆明珠,一舉一動都牽動著天文學家乃至全國人民的心。近期,“中國天眼”再立新功,發現來自宇宙深處的快速射電暴(FRB)新源。

中國科學院國家天文台研究員朱煒瑋、李菂等與合作者利用自主研發的搜尋技術,結合深度學習人工智能技術(AI),對FAST海量的巡天數據進行快速搜索,發現了這一新源。近日,該研究成果在線發表於《天體物理學快報》上。

與首個重復射電暴脈沖結構相似

“這是FAST通過盲搜發現的第一個快速射電暴新源,被命名為FRB 181123。這一新源顯示出兩個特點,一是脈沖輪廓表現為較罕見的三峰結構,這種結構通常在重復射電暴中出現﹔二是色散量高,在已知快速射電暴裡位列前茅,由此可判斷其來自宇宙的極深處。”朱煒瑋告訴科技日報記者。

快速射電暴是一種持續僅數毫秒的神秘射電暴發現象。以往觀測到的快速射電暴大部分是一次性的,通常隻有單峰結構,即望遠鏡在某一個時間點接收到的光子數量突然劇烈上升,就像天空突然閃亮,又迅速暗淡下來。其中隻有極少數是重復暴發的快速射電暴,這時往往會出現多峰結構,即連續閃爍兩三次,甚至更多。

朱煒瑋表示,此次發現的新源就連續閃爍了3次,每次閃爍的間隔約為5毫秒,第一次暴發的能量最高,后兩次暴發的能量大致相當,但比第一次“暗”很多。“這與人們觀測到的首個重復射電暴FRB 121102的脈沖結構十分相似。”

但是,當被問及是否能夠就此判定該新源為重復射電暴時,朱煒瑋的回答是否定的,“由於我們對快速射電暴的形成機制尚不了解,僅憑多峰結構無法為快速射電暴貼上‘重復’標簽,今后我們會繼續緊盯FRB 181123,觀測其是否重復暴發。”

如何判斷FRB 181123源自宇宙深處?

李菂在接受科技日報記者採訪時指出,脈沖信號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致色散,跟光線通過雲層產生彩虹有同樣的物理基礎。頻率高的光子速度快,會先到達地球,通過測量不同頻率的光子到達地球的時間,就可以計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,離地球也就越遠。此次發現的新源色散量約為FRB 121102的三倍,意味著該新源來自更遠的宇宙深處。

“經估算,該脈沖信號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’。”朱煒瑋說。

“這一新發現有賴於FAST超高的靈敏度。”李菂進一步解釋,射電望遠鏡同光學望遠鏡一樣,口徑越大,靈敏度就越高,接收到的電磁波就越多,探測能力就越強。如果將FRB 181123繪在星空畫布上,它可能就是極淡的一抹色彩。就像2018年FAST探測到有史以來最暗弱的毫秒脈沖星之一,很多其他國家的望遠鏡看了很多次卻都沒有看到這顆脈沖星,這充分証明了FAST的“火眼金睛”。

AI篩圖助學者“大海撈針”

除了FAST超強的硬件配置,后期數據的軟件處理也是尋找到快速射電暴新源的關鍵之一。

“我們發現新源的數據源自FAST的‘多科學目標漂移掃描巡天’項目。”朱煒瑋回憶,當時FAST正值調試期間,很多工作需要在白天完成,研究人員便利用FAST晚上的“空閑”時間,張開這隻“巨眼”,對著天空進行漂移掃描。

漂移掃描是一種簡易快捷的掃描方式,即FAST自身保持不動,依托地球本身的自轉,就能夠讓特定天區“一覽無余”。當然,操作簡潔的背后,是讓研究人員十分頭痛的海量數據。尤其對於能夠同時“望”向19個方向的FAST來講,數據流每秒鐘高達幾千兆。

這些數據並非全部為有效數據,相反,大部分是源自地球表面和衛星等的干擾信號。在如此龐雜的信號中想要搜尋出天體或特殊天文事件的信號,無異於大海撈針。

“以往篩選數據時,一個人往往要看上百萬張圖像,一天下來頭暈眼花。如今,我們採用了深度學習圖像識別技術,讓AI先把海量數據過一遍,可以減少近百倍的人工工作量。”朱煒瑋說。

地面信號往往色散量很小,天體信號則不然。研究人員將信號數據轉化成二維圖像,再將之置於多層神經網絡中,利用上述天體和地面信號色散量等典型特征,篩選出天體信號,最終“撈”出了這一快速射電暴新源。

“現階段,通過AI尋找快速射電暴的手段還處於早期的嘗試階段,后續我們會將AI推廣到更廣泛的領域,進一步開發實用的功能。”朱煒瑋坦言。

從一個“陌生人”到發現總量近千

“中國天眼”的新發現在學界引起了廣泛關注。原因在於,人類天文史上,快速射電暴尚屬於新認識的“陌生人”。

快速射電暴猛烈釋放出巨大的能量,幾毫秒間就能夠釋放出相當於太陽在一整天內釋放的能量,然而就是因為它往往只是幾毫秒內的曇花一現,直到2007年才首次被觀測到,6年后,學界再次觀測到4個快速射電暴,從此快速射電暴躋身為天文界普遍關注的現象之一。FAST2016年落成啟用后,也加入到搜尋快速射電暴的大軍之中。

作為FAST首席科學家,李菂對於“自家娃”的新發現欣慰不已。“新的天文領域發展迅猛,近幾年來人們發現的快速射電暴數量激增,總量近千。我們從2015年開始准備快速射電暴搜索工作。雖然FAST起步相對較晚,但這次發現展示了其在觀測來自宇宙深處的微弱信號上的優勢。此次發現的信號來自宇宙演化中恆星誕生率最高的時期。后續FAST還將開展更細致的研究,進一步揭示快速射電暴的起源和機制。”

“快速射電暴本身仍是一個新的未解謎團。發現更多快速射電暴有助於揭示其起源,還可以利用快速射電暴這種現象來開展宇宙學和基礎物理方面的研究。”朱煒瑋表示。

記者從中國科學院國家天文台了解到,未來FAST將通過“多科學目標漂移掃描巡天”和“快速射電暴的搜尋和多波段觀測”等優先項目,尋找和觀測更多快速射電暴,進一步對其起源和發生機制的研究作出貢獻。

(責編:楊虞波羅、呂騫)