“數(shù)字化脈沖星終端，是開展脈沖星時(shí)間尺度研究的核心。”記者昨日從位于西安的中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心獲悉，該中心羅近濤研究員團(tuán)隊(duì)在數(shù)字化脈沖星終端研制方面取得進(jìn)展。

　　羅近濤說，宇宙中的脈沖星十分遙遠(yuǎn)，在地球上接收到的脈沖星信號(hào)十分微弱，需要使用大口徑射電望遠(yuǎn)鏡配置高性能脈沖星終端進(jìn)行接收。脈沖星的信號(hào)在到達(dá)地球的過程中受星際介質(zhì)影響會(huì)出現(xiàn)色散效應(yīng)，使得脈沖星輪廓展寬進(jìn)而影響觀測(cè)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(shí)地還原脈沖星的輪廓。

　　■記者 張瀟 實(shí)習(xí)生 郭賦

　　脈沖星

　　宇宙中的燈塔 天然的高精度時(shí)鐘

　　那么，究竟什么是脈沖星？脈沖星信號(hào)的色散效應(yīng)又是怎么回事呢？北京大學(xué)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(shí)地閃過人們的視線；脈沖星還是宇宙中天然的高精度時(shí)鐘，每?jī)|年誤差只有1秒。不僅如此，利用脈沖星，天文學(xué)家在上世紀(jì)70年代首次間接地探測(cè)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(xué)獎(jiǎng)。

　　與脈沖星相關(guān)的第一次諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，是脈沖星的發(fā)現(xiàn)，這一切都源自一個(gè)女研究生的細(xì)心。上世紀(jì)60年代Jocelyn Bell在讀研究生時(shí)，使用導(dǎo)師建造的天線陣列進(jìn)行觀測(cè)。在長(zhǎng)長(zhǎng)的紙帶記錄數(shù)據(jù)中，她發(fā)現(xiàn)了一些奇特的信號(hào)——每天同一恒星時(shí)，這個(gè)陣列都會(huì)從天上的同一個(gè)位置接收到一些看似像干擾的無線電信號(hào)。要是假設(shè)這個(gè)信號(hào)不來自于地球，而是來源于遠(yuǎn)方的天體，那么整個(gè)事情似乎要更合理一些。這些信號(hào)是間隔1.33秒的、非常有規(guī)律的脈沖信號(hào)。如果這個(gè)脈沖信號(hào)是來源于太陽(yáng)系之外的，那么由于地球圍繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)，望遠(yuǎn)鏡相對(duì)信號(hào)源的速度就會(huì)以一年為周期而變化。經(jīng)過幾個(gè)月的數(shù)據(jù)積累，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，信號(hào)周期在小數(shù)點(diǎn)后第7位上發(fā)生了改變，并且測(cè)量到的改變量與地球圍繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)引起的多普勒效應(yīng)之預(yù)言完全一致。信號(hào)的來源至此確定為太陽(yáng)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(rèn)為理論預(yù)言中的中子星。

　　當(dāng)白色的光穿過玻璃棱鏡的時(shí)候，就會(huì)被分解成不同顏色的光，這被稱作色散效應(yīng)。這個(gè)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(shí)，也會(huì)發(fā)生色散，而不同頻率的無線電脈沖信號(hào)到達(dá)地球的時(shí)間也會(huì)有差異。上世紀(jì)60年代，人們對(duì)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(xué)家測(cè)量了不同頻率的脈沖到達(dá)地球的時(shí)間差，然后再結(jié)合銀河系電子密度的信息即能推測(cè)出新發(fā)現(xiàn)天體的距離。基于這一方法，科學(xué)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(zhǔn) 接近國(guó)際先進(jìn)水平

　　羅近濤團(tuán)隊(duì)采用自主研發(fā)的相干消色散數(shù)字終端，利用國(guó)家授時(shí)中心洛南昊平站40米口徑射電望遠(yuǎn)鏡，獲得毫秒脈沖星B1937+21輪廓的精細(xì)結(jié)構(gòu)。為什么要觀測(cè)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(gè)精細(xì)結(jié)構(gòu)，這個(gè)精細(xì)結(jié)構(gòu)只有使用相干消色散才能觀測(cè)到，在非相干消色散模式下是觀測(cè)不到的。所以，對(duì)于科學(xué)家來說，這顆脈沖星是測(cè)試相干消色散技術(shù)的理想對(duì)象。

　　那么，射電望遠(yuǎn)鏡如何去獲得脈沖星時(shí)間的“讀數(shù)”呢？這種技術(shù)在天文學(xué)上叫做脈沖星測(cè)時(shí)觀測(cè)。據(jù)李柯伽介紹，它包括幾個(gè)步驟：首先，人們用無線電望遠(yuǎn)鏡接收脈沖星的無線電信號(hào)。為了消除色散的影響，科學(xué)家需要重新對(duì)齊不同頻率的脈沖信號(hào)到達(dá)地球的時(shí)間。對(duì)于較亮的脈沖星，這個(gè)時(shí)候就能看到脈沖了。然而大部分脈沖星的信號(hào)實(shí)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(hào)還是不可見的。接下來讓脈沖信號(hào)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(hào)就能變得明顯起來。

　　但是，僅僅獲得脈沖到達(dá)地球的時(shí)間還不足以用來提取科學(xué)家需要的物理信息。地球在自轉(zhuǎn)，所以不同時(shí)刻望遠(yuǎn)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(xué)家先要計(jì)算出望遠(yuǎn)鏡到地球中心的距離，把觀測(cè)到的脈沖信號(hào)到達(dá)望遠(yuǎn)鏡的時(shí)間歸算到脈沖信號(hào)到達(dá)地心的時(shí)間。類似的，地球還在圍繞太陽(yáng)作公轉(zhuǎn)。因此還需要進(jìn)一步計(jì)算地球相對(duì)太陽(yáng)系質(zhì)心的位置（太陽(yáng)系質(zhì)心是太陽(yáng)系所有天體按照質(zhì)量加權(quán)以后算出來的太陽(yáng)系的“中心”），再把脈沖的達(dá)到時(shí)間歸算到太陽(yáng)系質(zhì)心。最后，在知道脈沖星相對(duì)太陽(yáng)系的運(yùn)動(dòng)之后，科學(xué)家還要進(jìn)一步把太陽(yáng)系質(zhì)心時(shí)間折算到相對(duì)脈沖星平動(dòng)的參考者那里（即相對(duì)脈沖星速度不變的觀測(cè)者）。這樣的脈沖到達(dá)時(shí)間就能表征脈沖星真實(shí)自轉(zhuǎn)信息了。

　　脈沖星自轉(zhuǎn)相當(dāng)穩(wěn)定。對(duì)于脈沖星計(jì)時(shí)來說，大天線是保證觀測(cè)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(fù)雜、計(jì)算量大，開發(fā)難度也大。羅近濤表示，國(guó)家授時(shí)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(diǎn)的高性能GPU服務(wù)器集群，能夠?qū)Ａ繑?shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)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(jì)時(shí)觀測(cè)特性。此外，在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中帶寬可達(dá)到1.6GHz。后續(xù)研制工作中，該研發(fā)團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步提升終端的工作帶寬、通道數(shù)，開展更高帶寬的觀測(cè)。更寬的帶寬，可以提高脈沖星觀測(cè)的信噪比，從而提高觀測(cè)的效果，目前國(guó)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(guó)從美國(guó)引進(jìn)的脈沖星終端中相干消色散觀測(cè)模式的帶寬在1.5GHz左右。中科院國(guó)家授時(shí)中心終端在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)的1.6GHz的相干消色散帶寬，這一指標(biāo)接近國(guó)際先進(jìn)水平。

　　脈沖星能做什么？

　　建立時(shí)間-空間標(biāo)準(zhǔn) 測(cè)量引力波

　　脈沖星會(huì)發(fā)出非常準(zhǔn)確的周期性脈沖信號(hào)，科學(xué)家能夠利用望遠(yuǎn)鏡來讀出脈沖到達(dá)地球的時(shí)間；測(cè)時(shí)殘差（即脈沖星到達(dá)時(shí)間的模型和測(cè)量的區(qū)別）包含了豐富的物理信息。

　　中科院國(guó)家授時(shí)中心目前產(chǎn)生和保持的時(shí)間，是從1972年1月1日開始通行的國(guó)際協(xié)調(diào)時(shí)（UTC），它是用原子鐘定義的時(shí)間加上地球自轉(zhuǎn)觀測(cè)修正構(gòu)成的。在應(yīng)用國(guó)際協(xié)調(diào)時(shí)的時(shí)候，因?yàn)槊總€(gè)原子鐘的數(shù)據(jù)無法實(shí)時(shí)進(jìn)行匯總，人們并不能實(shí)時(shí)地獲得加權(quán)時(shí)間。精確時(shí)間測(cè)量仍然需要進(jìn)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(zhǎng)期穩(wěn)定性與原子鐘相當(dāng)甚至優(yōu)于原子時(shí)，對(duì)多顆脈沖星觀測(cè)就是另外一種精確時(shí)間測(cè)量的辦法。

　　除了時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，科學(xué)家還能夠利用脈沖星建立空間框架，適合深空探測(cè)。此外，脈沖星測(cè)時(shí)陣列還能夠直接探測(cè)引力波。這里脈沖星被當(dāng)成了標(biāo)準(zhǔn)的脈沖信號(hào)發(fā)生器來使用，其發(fā)出的脈沖信號(hào)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(huì)改變銀河系的時(shí)空結(jié)構(gòu)，從而改變信號(hào)的到達(dá)時(shí)間。廣義相對(duì)論預(yù)言，引力波是時(shí)空的漣漪，而且是“橫波模式”。這種時(shí)空的拉伸和壓縮會(huì)導(dǎo)致在相應(yīng)方向上“距離”的改變，從而使得脈沖到達(dá)地球的時(shí)間提早或者延遲。2017年美國(guó)激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）探測(cè)到的是高頻引力波事件，而脈沖星計(jì)時(shí)在探測(cè)低頻引力波方面比LIGO要靈敏得多。

　　新成果

　　推動(dòng)脈沖星研究跨上新臺(tái)階

　　目前，我國(guó)現(xiàn)已建成了世界上最大的500米單口徑望遠(yuǎn)鏡FAST，新疆在建世界最大的全可動(dòng)高頻110米口徑望遠(yuǎn)鏡QTT（奇臺(tái)望遠(yuǎn)鏡），還有可能建造世界最大的干涉陣列ChinaART。這些望遠(yuǎn)鏡由于具有很大的接收面積，可以有效提高脈沖星測(cè)時(shí)的精度?？梢灶A(yù)計(jì)，如果這些望遠(yuǎn)鏡能夠及早完成調(diào)試并投入使用，則脈沖星測(cè)時(shí)陣列探測(cè)引力波的領(lǐng)域?qū)⒂兄卮蟮耐黄啤?/p>

　　中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心是我國(guó)的國(guó)立時(shí)頻研究機(jī)構(gòu)，是我國(guó)唯一一家專業(yè)、全面從事時(shí)間頻率科學(xué)研究的機(jī)構(gòu)。國(guó)家授時(shí)中心在秦嶺山區(qū)建有40米口徑射電望遠(yuǎn)鏡一臺(tái)，基于該射電望遠(yuǎn)鏡正在開展脈沖星時(shí)間尺度的研究，已經(jīng)對(duì)多顆高精度毫秒脈沖星進(jìn)行了長(zhǎng)期的計(jì)時(shí)觀測(cè)。此次國(guó)家授時(shí)中心數(shù)字脈沖星終端的相干消色散模式的實(shí)現(xiàn)，無疑將進(jìn)一步推動(dòng)國(guó)家授時(shí)中心脈沖星時(shí)間尺度的研究，推動(dòng)陜西的脈沖星研究走上新臺(tái)階。

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