漫漫星空，探索未有窮期
國家天文臺銀道面脈沖星巡天項目團隊——
漫漫星空，探索未有窮期（講述·弘揚科學家精神）
本報記者 施 芳 《 人民日報 》（ 2023年02月02日 第 06 版）
人物名片
依托中國天眼（FAST），國家天文臺銀道面脈沖星巡天項目團隊在短短3年內發(fā)現了520顆脈沖星，改變了我國在脈沖星搜尋與研究領域過去長期沒有話語權的局面。目前，團隊核心成員有15人，平均年齡31歲。
老舊的辦公桌上放著一摞厚厚的文獻，攤開的筆記本寫得密密麻麻，10多把椅子散放著……會議室里，一場激烈的討論剛剛結束。
“脈沖星搜尋工作是以秒來計算的……”在國家天文臺一間陳設簡陋的辦公室里，銀道面脈沖星巡天項目團隊負責人韓金林研究員緊盯著電腦屏幕說。前不久，團隊利用中國天眼（FAST），揭示了銀河系星際介質前所未見的細節(jié)。他們在搜尋銀河系內脈沖星的過程中，同步記錄了星際介質的譜線數據，揭示出銀河系內中性氫氣體的精致結構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，顯現出銀河系內大范圍的磁場特征；新證認出兩例超新星爆炸的遺跡。這些研究結果對理解銀河系內的星際生態(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：物理學 力學 天文學》上。
用中國望遠鏡做出的原創(chuàng)性成果，呈現在中國的學術期刊上
脈沖星是大質量恒星死亡后的殘骸，是宇宙中密度最高、磁場最強、自轉最快、相對論效應最顯著的天體，是研究宇宙極端環(huán)境下物理規(guī)律的理想實驗室。脈沖星的發(fā)現和研究，是國際上大射電望遠鏡的關鍵科學目標之一。
1968年首次發(fā)現脈沖星后的50余年間，全世界一共發(fā)現3300多顆脈沖星。由于大型望遠鏡和專業(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。截至2022年12月，我國科學家累計發(fā)現約720顆脈沖星，其中大部分是韓金林帶領的團隊發(fā)現的，包括一批最暗弱的脈沖星、挑戰(zhàn)當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《天文和天體物理學研究》執(zhí)行主編、中國科學院院士汪景琇，興奮地分享了最新成果：“我們團隊已經發(fā)現了100多顆脈沖星！”汪景琇聽了很振奮，當即約稿：“把成果論文發(fā)表在咱們刊物上吧！”
“論文寫作就持續(xù)了好幾個月，其間經歷數百遍修改，光用于期刊封面的那幅圖，就改了幾十遍。”團隊成員、博士生景威聰說，“脈沖星發(fā)現數目在不斷刷新，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)現數�！�
“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�！薄短煳暮吞祗w物理學研究》編輯部主任溫亞媛說，“這是用中國望遠鏡做出的原創(chuàng)性成果，他要力求完美地呈現在中國的學術期刊上�！�
2021年5月，銀道面脈沖星巡天項目的首篇論文在《天文和天體物理學研究》上發(fā)表�！拔覀冋谶M行的銀道面脈沖星快照巡天項目，是銀河系系統(tǒng)性搜尋首次進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)表在中國學術期刊上的表率。”該論文此后獲得中國科協(xié)第六屆優(yōu)秀科技論文遴選計劃的優(yōu)秀論文獎。
澳大利亞科學院院士曼徹斯特對論文給予高度評價：“銀道面脈沖星巡天項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量增加了近10%，這是一個了不起的成就�！�
團隊協(xié)作，探索快照模式，大幅提高觀測效率
“這些成果是團隊一起摸爬滾打做出來的�！表n金林感慨道。
傳統(tǒng)的望遠鏡觀測模式一般是一個點一個點地觀測。FAST安裝了19個接收機，意味著同一時刻可以把天上19個位置上任何星體發(fā)出的信號都記錄下來�！拔覀冊诖嘶A上突破創(chuàng)新，采用了更高效的觀測模式，即快照模式。這19個接收機仿佛19只凝視星空的眼睛，通過快速微調望遠鏡，讓‘眼睛’略微轉動，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，并驗證銀道面脈沖星巡天項目的可行性，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，FAST就坐落于此。
“FAST的接收面積相當于30個標準足球場，沿著望遠鏡走一圈大約1.6公里�！蓖蹶惐谎矍暗木跋笊钌钫鸷常拔覀円欢ㄒ煤盟�！”
觀測試驗分為3個小隊：一隊由高旭陽和侯立剛負責19波束分布測試；二隊由王陳和孫京海負責快照模式控制的測試；三隊由王鵬飛和王濤負責脈沖星數據處理流程開發(fā)。當晚，第一次觀測試驗開始。按照事先計算的結果，如果19波束排布圖準確，那么FAST的第十八個波束應該能看到一顆明亮的脈沖星，結果一無所獲，加之試驗時間有限，大家頓感壓力巨大。
經過緊張的復核，仔細檢查每一行代碼，最后發(fā)現是接收機轉動方向與預期相反導致的。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，等待觀測結果。一條條明亮的脈沖清晰出現在電腦屏幕中央，“看到了，看到脈沖星了！”這是項目組第一次利用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、二隊的進度，三隊幾乎不眠不休開發(fā)軟件，全力為快照觀測模式下的數據處理提供基礎程序，并為后續(xù)搜尋工作做準備。這3個小組相互獨立又高度協(xié)作，幾天內就完成了測試任務。數據表明，觀測同樣面積的天區(qū)并達到相同的靈敏度，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。
“一個看似不起眼的小錯誤都可能帶來大麻煩。”韓金林說。他搭建了一個脈沖星搜尋流水線，把用于搜尋的各個模塊都串聯(lián)起來，以實現全自動化搜尋脈沖星的目標。脈沖星搜尋需要遍歷所有可能的色散量，幾個月后，團隊突然發(fā)現，搜尋結果中少了一批脈沖星。經過排查，最終發(fā)現是早期的一個模塊中，有一行程序少了一個逗號。修改這個錯誤后，項目組不得不將之前幾個月的海量數據重新處理，否則就會遺漏大量的脈沖星。
吃苦耐勞，爭分奪秒，實現搜尋工作持續(xù)迭代
“十小時工作制”，韓金林常對團隊里的年輕人這樣說。實際上，韓金林付出的精力遠不止于此。“韓老師經常工作到半夜一兩點，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，項目組的年輕人也是早來晚走，有時干脆睡在辦公室里。“有一次大年初一，微信群里還在討論任務。半夜一兩點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，韓金林帶領學生處理FAST調試數據，力求在較短時間里能有更多發(fā)現。當時項目組已觀測了五六十個天區(qū)，每個天區(qū)都能產生幾千甚至上萬個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對干擾剔除不夠充分，只能人工進一步篩選出真正的脈沖星信號。
同學們輪番上陣，24小時連軸轉，硬是在3天內從20多萬張圖片中把20多顆優(yōu)質的脈沖星篩選出來了！“真是沙里淘金，長時間緊盯電腦屏幕，眼睛又澀又酸�！眻F隊成員顏一說，但看到20多顆優(yōu)質脈沖星，感覺一切都是值得的。
國外現有程序是按照特定望遠鏡參數設置的，并不適用于處理FAST搜索數據；逃過AI篩選的干擾信號數量很大，人工篩選不是長久之計。項目組總結了干擾信號的特征，認為完全可以想辦法直接剔除。為了能寫出一個計算速度快、應用效果好的程序，周德江吃住都在辦公室�！斑@些年輕人個個都是好樣的！他們吃苦耐勞，為團隊節(jié)省了不少時間和資源�！表n金林贊嘆道。經過團隊共同努力，脈沖星搜尋工作終于實現了自動化，并且一直更新?lián)Q代。
功夫不負有心人。2019年底，經過FAST科學委員會征集、評估和遴選，銀道面脈沖星巡天項目最終被列入FAST五個重大項目之一，2020年初正式開啟巡天觀測。截至目前，項目共計觀測了約300平方度的銀道面區(qū)域，占項目總體規(guī)劃的10%，但已經取得了豐碩的科學成果。2020年底和2022年底，這支年輕的隊伍兩次被評為國家天文臺優(yōu)秀科研團隊。
“我們趕上了一個好時候，一分一秒都耽誤不得�！表n金林說。早年，中國沒有大型望遠鏡，天文學研究嚴重受限。韓金林曾爭取到澳大利亞帕克斯望遠鏡600多個小時的使用機會，他分秒必爭地觀測，最終和北京大學天文系教授喬國俊合作完成銀河系磁場的研究，獲得2006年度國家自然科學獎二等獎。“你要繼續(xù)努力，再攀高峰！”韓金林永遠銘記著導師王綬琯院士的諄諄囑托。
目前FAST執(zhí)行的天文觀測項目有160多個，每個項目觀測的時間都掐秒計時�！拔覀兿Ｍ�5年左右時間完成全部內銀道面和部分外銀道面的巡天觀測，爭取發(fā)現1000顆脈沖星。通過深入研究新發(fā)現的天體，來檢驗現有的物理模型，乃至發(fā)現新的物理規(guī)律。”韓金林充滿信心地說，“再用8到10年，爭取把銀河系看遍！”
靠奮斗，從跟跑、并跑到領跑（記者手記）
“整整浪費了15分鐘吶！”有一回，團隊成員因為忘記關閉望遠鏡校準校號，導致15分鐘的觀測數據無法使用。項目需要觀測數萬次，每次要在界面上人工點擊輸入幾十個參數，難免出錯。但時至今日，記者仍然真切地感受到韓金林深深的惋惜……
惜時如金，既是出于對大科學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任感和使命感的體現。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域實現從跟跑、并跑到領跑的跨越。
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)必將抵達一個個新高度。
（責任編輯：歐云海）
