大海捞针！中国之眼寻找脉冲星有多难

随着前“无线电之王”阿雷西博射电望远镜的崩溃，世界上只有一架“大眼”——“中国天眼”500米球面射电望远镜FAST。

作为世界上最大的单口径射电望远镜，FAST自2016年建成以来显示出“极高的灵敏度”。到目前为止，基于FAST数据已经发现了240多颗脉冲星，同时位居世界第一。

鲜为人知的是，发现这些脉冲星就像大海捞针一样困难。中科院国家天文台FAST项目总工程师江鹏给出了一组数据：2018年观测FAST时，峰值数据速率可达每秒38G。它产生的海量数据给FAST团队带来了巨大的挑战。

1月8日，全球规模最大、参与人数最多的——2020-2021ASC世界大学生超级计算大赛第一轮比赛结束。在过去的两个月里，来自全球各大高校的参赛团队利用超级计算机完成了对FAST海量数据的“攻击”，完成了一次——脉冲星搜索的尖端科学挑战。

中国科学院国家天文台牛家瑞博士说，脉冲星是现代天文学和物理学的前沿研究课题。诺贝尔物理学奖两次授予脉冲星相关发现，近两年引力波发现和黑洞确认方面的重大突破与脉冲星研究有直接或间接的关系。脉冲星的研究引起了人们的极大关注。

脉冲星搜索是开始脉冲星研究的第一步。牛家瑞说，已经发现了3000多颗脉冲星，但这只是所有脉冲星的一小部分。脉冲星又远又密，人们无法像晚上看星星一样看到它们，所以需要天文望远镜。天文望远镜探测脉冲星，本质上是探测脉冲星发出的辐射信号。

牛佳睿说脉冲星搜索非常困难。背后有两大原因：第一，地球和周围环境存在大量的射频干扰。这些干扰比脉冲星信号强得多。如何识别和消除它们是脉冲星搜索中的一大难题；第二，观测数据量巨大。FAST观测到的脉冲星每秒会产生3GB的数据，月数据量达到PB级，难以处理和存储大量数据。为了及时分析FAST产生的海量数据，科学家需要使用功能强大的超级计算机对观测数据进行处理。

另外，软件优化尤为必要。pulsar搜索的开源软件PRESTO是目前科学家使用的核心工具之一。它的主要设计目的是从球状星团的远距离观测中有效搜索毫秒脉冲星。据统计，在过去的几十年里，PRESTO发现了700多颗脉冲星。

在ASC20-21的初赛中，青年大学生要做的就是在功耗3000瓦的超级计算平台上，从FAST的真实观测数据中准确找到脉冲星候选者，并对PRESTO的运行过程进行分析和优化，尽可能减少计算时间和所需资源。

“这将是大学生从理论到实践的全方位挑战。”牛佳睿说，一方面PRESTO比赛的比赛数据全部来自FAST的真实天文观测数据，会让大学生接触到现实中脉冲星研究的科研数据和软件算法；另一方面，这些学生要想在PRESTO中取得好的成绩，就必须深入学习和了解脉冲星搜索的相关知识，这将有助于大学生拓展天文学的理论知识，启发他们探索宇宙的奥秘。

事实上，近年来超级计算的应用对复合型人才的要求越来越高，这也是ASC竞赛——培养新一代超级计算人才的初衷。以脉冲星的FAST数据搜索为例，青年大学生不仅要了解天文学的专业知识，还要了解计算机程序的应用原理，从而明确科研需求的计算难点，使应用程序符合科研目标。

中科院国家天文台最新消息显示“中国天眼FAST将于2021年4月1日正式向全球科学界开放。”5月8 -12日，ASC20-21总决赛将在中国南方科技大学深圳分校举行。初赛选出的前20名将进行角逐，脉冲星搜索的挑战将继续出现在决赛中，难度进一步升级。

届时FAST有望收获更多海量数据，中国人能否更快更准确地从其中搜索到脉冲星乃至更具科学价值的物质或现象，取决于能否培养出足够多掌握超级计算手段、有探索宇宙激情的年轻人。