中国天眼再立功 捕捉罕见快速射电暴“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。

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。