中国天眼捕捉罕见快速射电暴三连闪

原标题：“中国天眼”再立功 发现罕见快速射电暴“三连闪”

从设计、建设、落成、调试,再到今年初通过验收正式开放运行,“中国天眼”500米口径球面射电望远镜(FAST)宛如贵州喀斯特洼坑中的一颗明珠,一举一动都牵动着天文学家乃至全国人民的心。

近期,“中国天眼”再立新功,发现来自宇宙深处的快速射电暴(FRB)新源。

中国科学院国家天文台研究员朱炜玮、李菂等与合作者利用自主研发的搜寻技术,结合深度学习人工智能技术(AI),对FAST海量的巡天数据进行快速搜索,发现了这一新源。

近日,该研究成果在线发表于《天体物理学快报》上。

与首个重复射电暴脉冲结构相似

“这是FAST通过盲搜发现的第一个快速射电暴新源,被命名为FRB 181123。这一新源显示出两个特点,一是脉冲轮廓表现为较罕见的三峰结构,这种结构通常在重复射电暴中出现;二是色散量高,在已知快速射电暴里位列前茅,由此可判断其来自宇宙的极深处。”朱炜玮告诉科技日报记者。

快速射电暴是一种持续仅数毫秒的神秘射电暴发现象。以往观测到的快速射电暴大部分是一次性的,通常只有单峰结构,即望远镜在某一个时间点接收到的光子数量突然剧烈上升,就像天空突然闪亮,又迅速暗淡下来。其中只有极少数是重复暴发的快速射电暴,这时往往会出现多峰结构,即连续闪烁两三次,甚至更多。

朱炜玮表示,此次发现的新源就连续闪烁了3次,每次闪烁的间隔约为5毫秒,第一次暴发的能量最高,后两次暴发的能量大致相当,但比第一次“暗”很多。“这与人们观测到的首个重复射电暴FRB 121102的脉冲结构十分相似。”

但是,当被问及是否能够就此判定该新源为重复射电暴时,朱炜玮的回答是否定的,“由于我们对快速射电暴的形成机制尚不了解,仅凭多峰结构无法为快速射电暴贴上‘重复’标签,今后我们会继续紧盯FRB 181123,观测其是否重复暴发。”

如何判断FRB 181123源自宇宙深处?

李菂在接受科技日报记者采访时指出,脉冲信号与星际及星系际电子相互作用,不同频率的电磁波传播速度不同导致色散,跟光线通过云层产生彩虹有同样的物理基础。频率高的光子速度快,会先到达地球,通过测量不同频率的光子到达地球的时间,就可以计算出快速射电暴的色散程度。色散量越高,也就意味着光子的旅程越漫长,离地球也就越远。此次发现的新源色散量约为FRB 121102的三倍,意味着该新源来自更远的宇宙深处。

“经估算,该脉冲信号可能在宇宙中跋涉了约百亿年,最终在2018年11月23日被FAST‘捕获’。”朱炜玮说。

“这一新发现有赖于FAST超高的灵敏度。”李菂进一步解释,射电望远镜同光学望远镜一样,口径越大,灵敏度就越高,接收到的电磁波就越多,探测能力就越强。如果将FRB 181123绘在星空画布上,它可能就是极淡的一抹色彩。就像2018年FAST探测到有史以来最暗弱的毫秒脉冲星之一,很多其他国家的望远镜看了很多次却都没有看到这颗脉冲星,这充分证明了FAST的“火眼金睛”。

AI筛图助学者“大海捞针”

除了FAST超强的硬件配置,后期数据的软件处理也是寻找到快速射电暴新源的关键之一。

“我们发现新源的数据源自FAST的‘多科学目标漂移扫描巡天’项目。”朱炜玮回忆,当时FAST正值调试期间,很多工作需要在白天完成,研究人员便利用FAST晚上的“空闲”时间,张开这只“巨眼”,对着天空进行漂移扫描。

中国天眼捕捉罕见快速射电暴三连闪

漂移扫描是一种简易快捷的扫描方式,即FAST自身保持不动,依托地球本身的自转,就能够让特定天区“一览无余”。当然,操作简洁的背后,是让研究人员十分头痛的海量数据。尤其对于能够同时“望”向19个方向的FAST来讲,数据流每秒钟高达几千兆。

这些数据并非全部为有效数据,相反,大部分是源自地球表面和卫星等的干扰信号。在如此庞杂的信号中想要搜寻出天体或特殊天文事件的信号,无异于大海捞针。

“以往筛选数据时,一个人往往要看上百万张图像,一天下来头晕眼花。如今,我们采用了深度学习图像识别技术,让AI先把海量数据过一遍,可以减少近百倍的人工工作量。”朱炜玮说。

地面信号往往色散量很小,天体信号则不然。研究人员将信号数据转化成二维图像,再将之置于多层神经网络中,利用上述天体和地面信号色散量等典型特征,筛选出天体信号,最终“捞”出了这一快速射电暴新源。

“现阶段,通过AI寻找快速射电暴的手段还处于早期的尝试阶段,后续我们会将AI推广到更广泛的领域,进一步开发实用的功能。”朱炜玮坦言。

从一个“陌生人”到发现总量近千

“中国天眼”的新发现在学界引起了广泛关注。原因在于,人类天文史上,快速射电暴尚属于新认识的“陌生人”。

快速射电暴猛烈释放出巨大的能量,几毫秒间就能够释放出相当于太阳在一整天内释放的能量,然而就是因为它往往只是几毫秒内的昙花一现,直到2007年才首次被观测到,6年后,学界再次观测到4个快速射电暴,从此快速射电暴跻身为天文界普遍关注的现象之一。FAST2016年落成启用后,也加入到搜寻快速射电暴的大军之中。

作为FAST首席科学家,李菂对于“自家娃”的新发现欣慰不已。“新的天文领域发展迅猛,近几年来人们发现的快速射电暴数量激增,总量近千。我们从2015年开始准备快速射电暴搜索工作。虽然FAST起步相对较晚,但这次发现展示了其在观测来自宇宙深处的微弱信号上的优势。此次发现的信号来自宇宙演化中恒星诞生率最高的时期。后续FAST还将开展更细致的研究,进一步揭示快速射电暴的起源和机制。”

“快速射电暴本身仍是一个新的未解谜团。发现更多快速射电暴有助于揭示其起源,还可以利用快速射电暴这种现象来开展宇宙学和基础物理方面的研究。”朱炜玮表示。

记者从中国科学院国家天文台了解到,未来FAST将通过“多科学目标漂移扫描巡天”和“快速射电暴的搜寻和多波段观测”等优先项目,寻找和观测更多快速射电暴,进一步对其起源和发生机制的研究作出贡献。