北京2020年12月1日 /美通社/ -- 2020-2021 ASC世界大學生超級計算機競賽 (ASC20-21) 已進入預賽階段，來自全球各大高校的參賽隊伍將在兩個月的時間內，完成一項尖端科學的大挑戰(zhàn) -- 脈沖星搜索。他們將從“中國天眼”500米口徑球面射電望遠鏡 (FAST) 真實觀測數(shù)據(jù)中，利用開源軟件套件PRESTO搜尋脈沖星的信號數(shù)據(jù)，并盡可能縮短分析時間。ASC大賽希望通過這道賽題讓大學生助力FAST搜索脈沖星，激發(fā)他們探索宇宙奧秘的熱情。
脈沖星搜索與FAST、超算有何聯(lián)系？這道題難在哪里？在ASC20-21線上集訓營上，賽題專家、中國科學院國家天文臺牛佳瑞博士進行了解答。
脈沖星：宇宙時鐘
脈沖星是近現(xiàn)代天文學、物理學領域的前沿研究課題。諾貝爾物理學獎曾兩度授予脈沖星相關發(fā)現(xiàn)，而近兩年關于引力波發(fā)現(xiàn)、黑洞證實等榮獲諾貝爾物理學獎的重大突破，也與脈沖星研究有著直接或間接的關系。脈沖星之所以具備如此高的研究價值，是因為它的極端物理性質是天然的極端物態(tài)實驗室，科學家通過對脈沖星信號的觀測，可以檢驗引力理論研究致密星的物理。同時，由于脈沖星周期穩(wěn)定，尤其是毫秒脈沖星，可以媲美“原子鐘”，研究它們可以解決許多重大物理問題，例如引力波探測、航天器導航等等。比如，如果科學家們通過高精度的脈沖星計時研究，就可以利用脈沖星建立宇宙級的“GPS”，準確推算航天器在宇宙航行的坐標，這就是所謂的“脈沖星導航”。
脈沖星搜索需要超算和軟件
脈沖星搜索是開啟脈沖星研究的第一步，目前發(fā)現(xiàn)了3000余顆脈沖星，但這僅僅是全部脈沖星的一小部分。脈沖星遙遠而致密，我們無法像夜晚看星星那樣看到脈沖星，需要借助天文望遠鏡。而天文望遠鏡探測脈沖星，本質上是探測脈沖星發(fā)出的輻射信號。世界最大單口徑、最靈敏的射電望遠鏡FAST的一大科學目標就是搜尋脈沖星，目前基于FAST的觀測數(shù)據(jù)，天文學家已發(fā)現(xiàn)超過240顆脈沖星。
FAST工程
脈沖星搜索非常困難，背后有兩大原因。一是在地球和周圍的環(huán)境中，存在大量的射頻干擾，這些干擾比脈沖星信號強得多，如何識別消除它們是脈沖星搜尋的大問題。二是觀測數(shù)據(jù)量龐大，F(xiàn)AST觀測脈沖星每秒會產生3GB數(shù)據(jù)，月數(shù)據(jù)量達到了PB量級，這樣大量的數(shù)據(jù)既難于處理，又難以儲存。為了能夠及時分析FAST產生的龐大數(shù)據(jù)，科學家需要使用性能強大的超級計算機對觀測數(shù)據(jù)進行處理。此外，軟件的優(yōu)化也尤為必要。
脈沖星搜索開源軟件PRESTO就是當前科學家們主要使用的核心工具軟件之一，它的主要設計目的是從對球狀星團的長距離觀測中有效地搜索毫秒脈沖星。據(jù)統(tǒng)計，在過去的幾十年里，利用望遠鏡發(fā)現(xiàn)的3000多顆脈沖星中，有700多顆是借助PRESTO發(fā)現(xiàn)的。
PRESTO搜索脈沖星的第一步，是揭開它的面紗，即盡量消除干擾信號。接下來，需要對信號進行消色散，生成時間序列，然后對時間序列進行快速傅里葉變換尋找周期，在數(shù)據(jù)中搜尋周期性信號，得到脈沖星的侯選體，進行折疊，最后生成侯選體的圖。由于科學家們無法提前預知可能包含在數(shù)據(jù)集中的脈沖星的確切距離、自旋頻率和軌道參數(shù)，因此對脈沖星的搜索基本上是“盲搜”，需要將搜索參數(shù)控制在很大范圍內，以最大程度地提高檢測概率。這意味著，搜索結果體量巨大，候選體的圖片需要進一步篩選。
ASC超算大賽激勵大學生探索宇宙奧秘
ASC20-21的PRESTO賽題要求各參賽隊伍在功耗3000W約束的超算平臺上，運行組委會統(tǒng)一提供的FAST觀測數(shù)據(jù)集，最終準確尋找到脈沖星候選體，并且要對PRESTO運行過程進行分析和優(yōu)化，盡可能地降低計算時間和所需資源。
牛佳瑞博士表示，PRESTO賽題將是對各參賽隊伍從理論到實踐的全方位挑戰(zhàn)。一方面，PRESTO賽題的比賽數(shù)據(jù)全部來自真實的天文觀測數(shù)據(jù)，這將讓本科生們接觸到現(xiàn)實中脈沖星研究的科研數(shù)據(jù)與軟件算法；另一方面，若想在PRESTO賽題中取得好成績，也必須要深入學習和了解脈沖星搜索的相關知識，這將有助于大學生拓展天文學理論知識，激勵他們發(fā)揮聰明才智和創(chuàng)新精神，去探索宇宙奧秘。
ASC 世界大學生超級計算機競賽是由中國發(fā)起組織，并得到亞洲及歐美相關專家和機構支持，旨在通過大賽平臺推動各國及地區(qū)間超算青年人才交流和培養(yǎng)，提升超算應用水平和研發(fā)能力，發(fā)揮超算的科技驅動力，促進科技與產業(yè)創(chuàng)新。ASC超算大賽迄今已舉行至第9屆，吸引超過近萬名世界各國大學生參賽，是全球最大規(guī)模的超算競賽。ASC20-21超算競賽總決賽將于5月8日-12日在位于中國深圳的南方科技大學舉行。
