“數(shù)字化脈沖星終端，是開展脈沖星時間尺度研究的核心?！庇浾咦蛉諒奈挥谖靼驳闹袊茖W院國家授時中心獲悉，該中心羅近濤研究員團隊在數(shù)字化脈沖星終端研制方面取得進展。
羅近濤說，宇宙中的脈沖星十分遙遠，在地球上接收到的脈沖星信號十分微弱，需要使用大口徑射電望遠鏡配置高性能脈沖星終端進行接收。脈沖星的信號在到達地球的過程中受星際介質(zhì)影響會出現(xiàn)色散效應(yīng)，使得脈沖星輪廓展寬進而影響觀測效果。與非相干消色散模式相比，相干消色散可以徹底地消除色散效應(yīng)，從而更真實地還原脈沖星的輪廓。
■記者 張瀟 實習生 郭賦
脈沖星
宇宙中的燈塔 天然的高精度時鐘
那么，究竟什么是脈沖星？脈沖星信號的色散效應(yīng)又是怎么回事呢？北京大學科維理天文與天體物理研究所研究員李柯伽說，脈沖星好似宇宙中的燈塔，發(fā)出的周期輻射不時地閃過人們的視線；脈沖星還是宇宙中天然的高精度時鐘，每億年誤差只有1秒。不僅如此，利用脈沖星，天文學家在上世紀70年代首次間接地探測到了引力波，并于1993年獲得與脈沖星相關(guān)的第二次諾貝爾物理學獎。
與脈沖星相關(guān)的第一次諾貝爾物理學獎，是脈沖星的發(fā)現(xiàn)，這一切都源自一個女研究生的細心。上世紀60年代Jocelyn Bell在讀研究生時，使用導師建造的天線陣列進行觀測。在長長的紙帶記錄數(shù)據(jù)中，她發(fā)現(xiàn)了一些奇特的信號——每天同一恒星時，這個陣列都會從天上的同一個位置接收到一些看似像干擾的無線電信號。要是假設(shè)這個信號不來自于地球，而是來源于遠方的天體，那么整個事情似乎要更合理一些。這些信號是間隔1.33秒的、非常有規(guī)律的脈沖信號。如果這個脈沖信號是來源于太陽系之外的，那么由于地球圍繞太陽公轉(zhuǎn)，望遠鏡相對信號源的速度就會以一年為周期而變化。經(jīng)過幾個月的數(shù)據(jù)積累，科學家發(fā)現(xiàn)，信號周期在小數(shù)點后第7位上發(fā)生了改變，并且測量到的改變量與地球圍繞太陽運動引起的多普勒效應(yīng)之預言完全一致。信號的來源至此確定為太陽系之外。就這樣，人類歷史上第一次發(fā)現(xiàn)了脈沖星這一奇特的天體，很快脈沖星被證認為理論預言中的中子星。
當白色的光穿過玻璃棱鏡的時候，就會被分解成不同顏色的光，這被稱作色散效應(yīng)。這個效應(yīng)起源于不同頻率的光和玻璃（介質(zhì)）中電子的相互作用。類似的，銀河系里也充滿了大量自由的電子，無線電波在這些“星際介質(zhì)”中傳播時，也會發(fā)生色散，而不同頻率的無線電脈沖信號到達地球的時間也會有差異。上世紀60年代，人們對銀河系中的電子密度已經(jīng)有了大概的了解。Hewish和Bell兩位科學家測量了不同頻率的脈沖到達地球的時間差，然后再結(jié)合銀河系電子密度的信息即能推測出新發(fā)現(xiàn)天體的距離?；谶@一方法，科學家確定新發(fā)現(xiàn)的脈沖星是位于銀河系之內(nèi)。
自主研發(fā)
系統(tǒng)更精準 接近國際先進水平
羅近濤團隊采用自主研發(fā)的相干消色散數(shù)字終端，利用國家授時中心洛南昊平站40米口徑射電望遠鏡，獲得毫秒脈沖星B1937+21輪廓的精細結(jié)構(gòu)。為什么要觀測B1937+21？這一顆脈沖星有什么特別之處呢？這顆脈沖星自轉(zhuǎn)周期約為1.6毫秒，在很多年里一直是脈沖星里面的自轉(zhuǎn)速度冠軍，色散效應(yīng)在這顆脈沖星身上的影響特別明顯，它的主峰上有一個精細結(jié)構(gòu)，這個精細結(jié)構(gòu)只有使用相干消色散才能觀測到，在非相干消色散模式下是觀測不到的。所以，對于科學家來說，這顆脈沖星是測試相干消色散技術(shù)的理想對象。
那么，射電望遠鏡如何去獲得脈沖星時間的“讀數(shù)”呢？這種技術(shù)在天文學上叫做脈沖星測時觀測。據(jù)李柯伽介紹，它包括幾個步驟：首先，人們用無線電望遠鏡接收脈沖星的無線電信號。為了消除色散的影響，科學家需要重新對齊不同頻率的脈沖信號到達地球的時間。對于較亮的脈沖星，這個時候就能看到脈沖了。然而大部分脈沖星的信號實在是太弱了，即使消除了色散的影響，大部分情況下，脈沖信號還是不可見的。接下來讓脈沖信號變得明顯起來的辦法叫做“周期折疊”，即按照脈沖的周期把數(shù)據(jù)分段，然后再把每段數(shù)據(jù)疊加起來。這樣由于將有脈沖的地方相疊加，脈沖信號就能變得明顯起來。
但是，僅僅獲得脈沖到達地球的時間還不足以用來提取科學家需要的物理信息。地球在自轉(zhuǎn)，所以不同時刻望遠鏡朝向天空的位置是不一樣的。為了扣除地球的自轉(zhuǎn)效應(yīng)，科學家先要計算出望遠鏡到地球中心的距離，把觀測到的脈沖信號到達望遠鏡的時間歸算到脈沖信號到達地心的時間。類似的，地球還在圍繞太陽作公轉(zhuǎn)。因此還需要進一步計算地球相對太陽系質(zhì)心的位置（太陽系質(zhì)心是太陽系所有天體按照質(zhì)量加權(quán)以后算出來的太陽系的“中心”），再把脈沖的達到時間歸算到太陽系質(zhì)心。最后，在知道脈沖星相對太陽系的運動之后，科學家還要進一步把太陽系質(zhì)心時間折算到相對脈沖星平動的參考者那里（即相對脈沖星速度不變的觀測者）。這樣的脈沖到達時間就能表征脈沖星真實自轉(zhuǎn)信息了。
脈沖星自轉(zhuǎn)相當穩(wěn)定。對于脈沖星計時來說，大天線是保證觀測效果的基礎(chǔ)，高性能的脈沖星終端是核心。在兩種相干消色散模式中，相干消色散可以更徹底地消除色散，但是算法復雜、計算量大，開發(fā)難度也大。羅近濤表示，國家授時中心的相干消色散數(shù)字終端采用FPGA+GPU結(jié)構(gòu)，8節(jié)點的高性能GPU服務(wù)器集群，能夠?qū)Ａ繑?shù)據(jù)進行實時高性能處理。在相干消色散模式下，工作帶寬800MHz、通道數(shù)1024，具有良好的計時觀測特性。此外，在實驗室測試中帶寬可達到1.6GHz。后續(xù)研制工作中，該研發(fā)團隊將進一步提升終端的工作帶寬、通道數(shù)，開展更高帶寬的觀測。更寬的帶寬，可以提高脈沖星觀測的信噪比，從而提高觀測的效果，目前國際上使用中的脈沖星相干消色散終端的工作帶寬一般在800MHz左右，我國從美國引進的脈沖星終端中相干消色散觀測模式的帶寬在1.5GHz左右。中科院國家授時中心終端在實驗室實現(xiàn)的1.6GHz的相干消色散帶寬，這一指標接近國際先進水平。
脈沖星能做什么？
建立時間-空間標準 測量引力波
脈沖星會發(fā)出非常準確的周期性脈沖信號，科學家能夠利用望遠鏡來讀出脈沖到達地球的時間；測時殘差（即脈沖星到達時間的模型和測量的區(qū)別）包含了豐富的物理信息。
中科院國家授時中心目前產(chǎn)生和保持的時間，是從1972年1月1日開始通行的國際協(xié)調(diào)時（UTC），它是用原子鐘定義的時間加上地球自轉(zhuǎn)觀測修正構(gòu)成的。在應(yīng)用國際協(xié)調(diào)時的時候，因為每個原子鐘的數(shù)據(jù)無法實時進行匯總，人們并不能實時地獲得加權(quán)時間。精確時間測量仍然需要進行事后改正。脈沖星自轉(zhuǎn)穩(wěn)定，是宇宙中最穩(wěn)定的天然鐘，脈沖星鐘的長期穩(wěn)定性與原子鐘相當甚至優(yōu)于原子時，對多顆脈沖星觀測就是另外一種精確時間測量的辦法。
除了時間標準，科學家還能夠利用脈沖星建立空間框架，適合深空探測。此外，脈沖星測時陣列還能夠直接探測引力波。這里脈沖星被當成了標準的脈沖信號發(fā)生器來使用，其發(fā)出的脈沖信號穿過銀河系的距離來到地球。如果宇宙背景中存在引力波，就會改變銀河系的時空結(jié)構(gòu)，從而改變信號的到達時間。廣義相對論預言，引力波是時空的漣漪，而且是“橫波模式”。這種時空的拉伸和壓縮會導致在相應(yīng)方向上“距離”的改變，從而使得脈沖到達地球的時間提早或者延遲。2017年美國激光干涉引力波天文臺（LIGO）探測到的是高頻引力波事件，而脈沖星計時在探測低頻引力波方面比LIGO要靈敏得多。
新成果
推動脈沖星研究跨上新臺階
目前，我國現(xiàn)已建成了世界上最大的500米單口徑望遠鏡FAST，新疆在建世界最大的全可動高頻110米口徑望遠鏡QTT（奇臺望遠鏡），還有可能建造世界最大的干涉陣列ChinaART。這些望遠鏡由于具有很大的接收面積，可以有效提高脈沖星測時的精度?？梢灶A計，如果這些望遠鏡能夠及早完成調(diào)試并投入使用，則脈沖星測時陣列探測引力波的領(lǐng)域?qū)⒂兄卮蟮耐黄啤?/p>
中國科學院國家授時中心是我國的國立時頻研究機構(gòu)，是我國唯一一家專業(yè)、全面從事時間頻率科學研究的機構(gòu)。國家授時中心在秦嶺山區(qū)建有40米口徑射電望遠鏡一臺，基于該射電望遠鏡正在開展脈沖星時間尺度的研究，已經(jīng)對多顆高精度毫秒脈沖星進行了長期的計時觀測。此次國家授時中心數(shù)字脈沖星終端的相干消色散模式的實現(xiàn)，無疑將進一步推動國家授時中心脈沖星時間尺度的研究，推動陜西的脈沖星研究走上新臺階。
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