北京2020年12月1日 /美通社/ -- 2020-2021 ASC世界大學(xué)生超級(jí)計(jì)算機(jī)競(jìng)賽 (ASC20-21) 已進(jìn)入預(yù)賽階段，來(lái)自全球各大高校的參賽隊(duì)伍將在兩個(gè)月的時(shí)間內(nèi)，完成一項(xiàng)尖端科學(xué)的大挑戰(zhàn) -- 脈沖星搜索。他們將從“中國(guó)天眼”500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡 (FAST) 真實(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)中，利用開(kāi)源軟件套件PRESTO搜尋脈沖星的信號(hào)數(shù)據(jù)，并盡可能縮短分析時(shí)間。ASC大賽希望通過(guò)這道賽題讓大學(xué)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(xùn)營(yíng)上，賽題專家、中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)牛佳瑞博士進(jìn)行了解答。
脈沖星：宇宙時(shí)鐘
脈沖星是近現(xiàn)代天文學(xué)、物理學(xué)領(lǐng)域的前沿研究課題。諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)曾兩度授予脈沖星相關(guān)發(fā)現(xiàn)，而近兩年關(guān)于引力波發(fā)現(xiàn)、黑洞證實(shí)等榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的重大突破，也與脈沖星研究有著直接或間接的關(guān)系。脈沖星之所以具備如此高的研究?jī)r(jià)值，是因?yàn)樗臉O端物理性質(zhì)是天然的極端物態(tài)實(shí)驗(yàn)室，科學(xué)家通過(guò)對(duì)脈沖星信號(hào)的觀測(cè)，可以檢驗(yàn)引力理論研究致密星的物理。同時(shí)，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(wèn)題，例如引力波探測(cè)、航天器導(dǎo)航等等。比如，如果科學(xué)家們通過(guò)高精度的脈沖星計(jì)時(shí)研究，就可以利用脈沖星建立宇宙級(jí)的“GPS”，準(zhǔn)確推算航天器在宇宙航行的坐標(biāo)，這就是所謂的“脈沖星導(dǎo)航”。
脈沖星搜索需要超算和軟件
脈沖星搜索是開(kāi)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(yuǎn)而致密，我們無(wú)法像夜晚看星星那樣看到脈沖星，需要借助天文望遠(yuǎn)鏡。而天文望遠(yuǎn)鏡探測(cè)脈沖星，本質(zhì)上是探測(cè)脈沖星發(fā)出的輻射信號(hào)。世界最大單口徑、最靈敏的射電望遠(yuǎn)鏡FAST的一大科學(xué)目標(biāo)就是搜尋脈沖星，目前基于FAST的觀測(cè)數(shù)據(jù)，天文學(xué)家已發(fā)現(xiàn)超過(guò)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(hào)強(qiáng)得多，如何識(shí)別消除它們是脈沖星搜尋的大問(wèn)題。二是觀測(cè)數(shù)據(jù)量龐大，F(xiàn)AST觀測(cè)脈沖星每秒會(huì)產(chǎn)生3GB數(shù)據(jù)，月數(shù)據(jù)量達(dá)到了PB量級(jí)，這樣大量的數(shù)據(jù)既難于處理，又難以儲(chǔ)存。為了能夠及時(shí)分析FAST產(chǎn)生的龐大數(shù)據(jù)，科學(xué)家需要使用性能強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。此外，軟件的優(yōu)化也尤為必要。
脈沖星搜索開(kāi)源軟件PRESTO就是當(dāng)前科學(xué)家們主要使用的核心工具軟件之一，它的主要設(shè)計(jì)目的是從對(duì)球狀星團(tuán)的長(zhǎng)距離觀測(cè)中有效地搜索毫秒脈沖星。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在過(guò)去的幾十年里，利用望遠(yuǎn)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(kāi)它的面紗，即盡量消除干擾信號(hào)。接下來(lái)，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行消色散，生成時(shí)間序列，然后對(duì)時(shí)間序列進(jìn)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(hào)，得到脈沖星的侯選體，進(jìn)行折疊，最后生成侯選體的圖。由于科學(xué)家們無(wú)法提前預(yù)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(duì)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(nèi)，以最大程度地提高檢測(cè)概率。這意味著，搜索結(jié)果體量巨大，候選體的圖片需要進(jìn)一步篩選。
ASC超算大賽激勵(lì)大學(xué)生探索宇宙奧秘
ASC20-21的PRESTO賽題要求各參賽隊(duì)伍在功耗3000W約束的超算平臺(tái)上，運(yùn)行組委會(huì)統(tǒng)一提供的FAST觀測(cè)數(shù)據(jù)集，最終準(zhǔn)確尋找到脈沖星候選體，并且要對(duì)PRESTO運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行分析和優(yōu)化，盡可能地降低計(jì)算時(shí)間和所需資源。
牛佳瑞博士表示，PRESTO賽題將是對(duì)各參賽隊(duì)伍從理論到實(shí)踐的全方位挑戰(zhàn)。一方面，PRESTO賽題的比賽數(shù)據(jù)全部來(lái)自真實(shí)的天文觀測(cè)數(shù)據(jù)，這將讓本科生們接觸到現(xiàn)實(shí)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(jī)，也必須要深入學(xué)習(xí)和了解脈沖星搜索的相關(guān)知識(shí)，這將有助于大學(xué)生拓展天文學(xué)理論知識(shí)，激勵(lì)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(xué)生超級(jí)計(jì)算機(jī)競(jìng)賽是由中國(guó)發(fā)起組織，并得到亞洲及歐美相關(guān)專家和機(jī)構(gòu)支持，旨在通過(guò)大賽平臺(tái)推動(dòng)各國(guó)及地區(qū)間超算青年人才交流和培養(yǎng)，提升超算應(yīng)用水平和研發(fā)能力，發(fā)揮超算的科技驅(qū)動(dòng)力，促進(jìn)科技與產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新。ASC超算大賽迄今已舉行至第9屆，吸引超過(guò)近萬(wàn)名世界各國(guó)大學(xué)生參賽，是全球最大規(guī)模的超算競(jìng)賽。ASC20-21超算競(jìng)賽總決賽將于5月8日-12日在位于中國(guó)深圳的南方科技大學(xué)舉行。
