文/图 山东商报·速豹新闻网记者 张舒
小时候，几乎每个人都曾哼唱过一首耳熟能详的儿歌，“一闪一闪亮晶晶，满天都是小星星”。受地球大气湍流折射原理，当你盯着某一颗星星看时会感觉它在忽明忽暗的闪烁。事实上，会“眨眼睛”的星星在太空中真的存在，它就是令无数天文学家们为之深深着迷的“脉冲星”。
近日，国家天文台、齐鲁师范学院、国家超算济南中心联合研究团队，借助被誉为“中国天眼”的500米口径球面射电望远镜(FAST)合作发现一颗新的毫秒脉冲星，这也是“中国天眼”基于山东省完全自有科研资源发现的首颗毫秒脉冲星。
会“眨眼睛”的星星
脉冲星被称为20世纪60年代四大发现之一。世界上第一颗被发现的脉冲星叫作CP1919，是由天文学家贝尔和她的老师休伊什共同发现的。在此之前，谁也没有见过脉冲星的信号长什么样子，以至于起初贝尔将脉冲星信号当作了人造的干扰。之后，他们重复、多次收到了这样的信号，在扣除地球自身的运动后，发现这个怪异的信号竟然具有1.337秒的周期。于是，贝尔和休伊什将这次发现发表在国际期刊上，顿时引起了强烈反响。
随着观测的推进，人们发现了越来越多这样的周期性信号，其中有一些甚至能达到毫秒级的周期。在金牛座中就有一个这样的星星，它一秒钟能“眨眼”33次，被称之为蟹状星云脉冲星。从观测的角度来说，像这样具有稳定眨眼频率的星星，就可能是脉冲星。
天文学家们认为，脉冲星就是可以看到周期脉冲信号的中子星，由恒星演化和超新星爆发产生。比如，被称为“毫秒脉冲星”的短周期脉冲星，其周期准确度可以与地球上最好的原子钟相媲美。
齐鲁师范学院物理与电子工程学院院长张洁告诉记者，“脉冲星是一个非常小的天体，在观测上的表现是自转非常快，它转一圈最短是1.39毫秒，最长是76秒。它的半径非常小，通常为10千米至15千米，密度也非常大，每立方厘米达到1亿吨。”
在宇宙中搜寻脉冲星并非易事，正常脉冲星的自转周期大概在0.1秒到几秒左右，而毫秒脉冲星的自转周期仅在30毫秒以下。所以，能成功“捕获”到毫秒脉冲星相对于发现正常的脉冲星更是难上加难。
前期，齐鲁师范学院天文系青年教师王聪带领学生借助济南超算中心人工智能筛选平台，在FAST2019年7月10日的观测数据得到的众多脉冲星候选体中首次筛选得到该毫秒脉冲星的候选体。在FAST总工程师姜鹏研究员带领团队的支持下，对该候选体进行了认证观测，并由齐鲁师范学院天文系青年博士王泽睿带领学生在认证数据中重复探测到相同信号，从而认证了这颗新毫秒脉冲星。
遗憾的是，大部分的脉冲星人类是无法凭借肉眼看到的。因为它们在亮度上太弱，科学家需要借助大的望远镜才能看到；再就是大部分脉冲星在光学的波段并没有辐射，它们在射电波段看起来会比较强。不过，脉冲星周期性发出的电磁波被专业望远镜捕获到后，可以转化为人类比较容易理解和感受的声波，就像来自深空的“心跳”。
每天筛查几十万张图片
“这颗由齐鲁师范学院联合国家超算济南中心借助‘中国天眼’发现的毫秒脉冲星，被命名为PSR J1810-0622。该毫秒脉冲星自转周期为4.55ms，根据银河系电子密度模型（YMW16）估算，这颗脉冲星距离地球约678光年。”张洁介绍，这是国家天文台-齐鲁师范学院-济南超算联合研究团队的首个重大成果，同时也是FAST基于我省完全自有科研资源发现的首颗毫秒脉冲星。
记者了解到，PSR J1810-0622毫秒脉冲星系齐鲁师范学院天文系师生，通过对FAST优先重大项目“多科学目标同时扫描巡天”(简称CRAFTS)脉冲星做认证后，随网格观测的存档数据进行重新处理而获得。其主要数据分析工作依托国家超级计算济南中心的山河超级计算平台完成。“在浩渺的宇宙中搜寻脉冲星并非易事。”张洁告诉记者，“中国天眼”夜以继日地巡视浩瀚星空，每秒接收数据约1.6GB，相当于一部高清电影的存储量，每年新产生约20PB的数据量，脉冲星的微弱信号便隐藏其中。
传统的搜寻方法要求科研人员首先需要对这些数据进行消色散、匹配滤波等处理后，生成脉冲星候选体数据结果图，再通过肉眼辨识出隐藏在其中的真实脉冲星信号。而这样的传统搜寻算法存储吞吐和计算规模很大，得到的候选体数量庞大，搜寻效率相对较低。如何有效地提高脉冲星数据筛选的速度和效率，使科研人员更快地找到真正的脉冲星信号，是一项极具挑战性的任务。
针对以上挑战，济南超算FAST联合研究中心的研究人员，对PRESTO脉冲星搜索软件基于山河超级计算平台移植进行算法改进和并行优化，提高整体计算吞吐量和效率。新算法相比该软件传统算法提速22倍，大大提升了探测到脉冲星的效率。
但是，脉冲星被探测到并不等于成功认定。在海量数据中，团队成员还需要依托济南超算全球领先的计算和存储能力，对符合脉冲星特征的数据进行优化提取。“星体信号经过充满电磁干扰的宇宙到达地球，就像我们在嘈杂的市场里寻找一个特殊声音，就要收集不同声音数据并分析，然后才能找到这个声音。”张洁说，这个庞大的提取工程历时两年，团队成员每天要筛查几十万张图片，“利用全自动AI对于筛选脉冲星候选体信息判别，准确率可达86.17%，最终在找到的219个候选体中认证了这颗新脉冲星PSRJ1810-0622。”
星际航行最“靠谱”导航
脉冲星能用来做什么？张洁告诉记者，在太空中，脉冲星可以作为探针，用来探测银河系中星际介质的分布和密度；也可以用来探测银河系的磁场分布与强度。此外，科学家们也在探索将脉冲星用于计时和引力波探测。
“截至目前，‘中国天眼’已发现800余颗新脉冲星，PSR J1810-0622毫秒脉冲星系的特点是自转周期比较短，仅有4.55毫秒。”张洁介绍，“脉冲星具有稳定的旋转周期，有一些每万亿年才会慢1秒，具有长期的稳定性，就像是太空中永不断电的‘钟表’。在网络或卫星通讯中断的情况下，脉冲星可以作为宇宙导航，为未来的星际航行打下基础。”
2024年，山东省政府工作报告将“抓实抓好以科技创新引领现代化产业体系建设”列为今年12项重点任务之首；济南市政府工作报告提出大力推进数字济南建设，全面打造数字先锋城市。“在山东省推动空天技术发展的机遇期，新脉冲星PSRJ1810-0622的发现，推动了山东省天文大数据的发展，同时填补了山东在天文研究方面的空白。”张洁表示。
记者了解到，近年来，齐鲁师范学院先后与国家天文台FAST运行和发展中心共建齐鲁师范学院“FAST”数据处理中心，与国家超级计算济南中心联合获批济南市天文大数据工程研究中心以及山东省高等学校天文大数据工程研究中心。三方默契配合，已在脉冲星和快速射电暴(FRB)搜索、FAST数据分析、解决面向射电天文学前沿的大规模计算和大数据处理问题、聚焦计算与天文交叉领域的科学研究、技术开发、人才培养、科普宣传以及学术交流等方面均取得有效成果。
2022年，齐鲁师范学院招收了第一批天文学本科专业学生，配有11名博士学位全职教师，打造特色小班制办学和导师制培养模式，助力应用型人才培养实现新突破，也为天文系的成立打下了坚实基础。2023年10月，学校成立山东省首个、全国第19个天文系，进一步推进我省天文学科高质量发展。
