國家天文台銀道面脈沖星巡天項目團隊——漫漫星空，探索未有窮期（講述·弘揚科學家精神）

來源：人民日報

以上圖檔均為中科院國家天文台提供

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依托中國天眼（FAST），國家天文台銀道面脈沖星巡天項目團隊在短短3年内發現了520顆脈沖星，改變了大陸在脈沖星搜尋與研究領域過去長期沒有話語權的局面。目前，團隊核心成員有15人，平均年齡31歲。

老舊的辦公桌上放着一摞厚厚的文獻，攤開的筆記本寫得密密麻麻，10多把椅子散放着……會議室裡，一場激烈的讨論剛剛結束。

“脈沖星搜尋工作是以秒來計算的……”在國家天文台一間陳設簡陋的辦公室裡，銀道面脈沖星巡天項目團隊負責人韓金林研究員緊盯着電腦螢幕說。前不久，團隊利用中國天眼（FAST），揭示了銀河系星際媒體前所未見的細節。他們在搜尋銀河系内脈沖星的過程中，同步記錄了星際媒體的譜線資料，揭示出銀河系内中性氫氣體的精緻結構和電離氣體的彌漫特征；還測量了大量暗弱脈沖星的法拉第效應，顯現出銀河系内大範圍的磁場特征；新證認出兩例超新星爆炸的遺迹。這些研究結果對了解銀河系内的星際生态循環有重要意義。系列論文于2022年12月10日作為特别專題發表在大陸綜合國際期刊《中國科學：實體學 力學 天文學》上。

用中國望遠鏡做出的原創性成果，呈現在中國的學術期刊上

脈沖星是大品質恒星死亡後的殘骸，是宇宙中密度最高、磁場最強、自轉最快、相對論效應最顯著的天體，是研究宇宙極端環境下實體規律的理想實驗室。脈沖星的發現和研究，是國際上大射電望遠鏡的關鍵科學目标之一。

1968年首次發現脈沖星後的50餘年間，全世界一共發現3300多顆脈沖星。由于大型望遠鏡和專業人才的稀缺，中國在脈沖星的搜尋與研究方面起步較晚。

2016年，随着FAST的建成，這種狀況得以扭轉。截至2022年12月，大陸科學家累計發現約720顆脈沖星，其中大部分是韓金林帶領的團隊發現的，包括一批最暗弱的脈沖星、挑戰當代銀河系電子分布模型的大色散量脈沖星等。

2020年10月初的一天，韓金林遇到《天文和天體實體學研究》執行主編、中國科學院院士汪景琇，興奮地分享了最新成果：“我們團隊已經發現了100多顆脈沖星！”汪景琇聽了很振奮，當即約稿：“把成果論文發表在咱們刊物上吧！”

“論文寫作就持續了好幾個月，其間經曆數百遍修改，光用于期刊封面的那幅圖，就改了幾十遍。”團隊成員、博士生景威聰說，“脈沖星發現數目在不斷重新整理，我們發表的隻是這篇論文被期刊接受那天脈沖星的發現數。”

“在印刷的前一天下午，韓老師還加了一幅圖，以便讓讀者更直覺地感覺新發現。”《天文和天體實體學研究》編輯部主任溫亞媛說，“這是用中國望遠鏡做出的原創性成果，他要力求完美地呈現在中國的學術期刊上。”

2021年5月，銀道面脈沖星巡天項目的首篇論文在《天文和天體實體學研究》上發表。“我們正在進行的銀道面脈沖星快照巡天項目，是銀河系系統性搜尋首次進入到微央斯基量級的深水區，超越國際其他巡測靈敏度一個量級。”汪景琇說，“這篇論文是将優秀科研成果發表在中國學術期刊上的表率。”該論文此後獲得中國科協第六屆優秀科技論文遴選計劃的優秀論文獎。

澳洲科學院院士曼徹斯特對論文給予高度評價：“銀道面脈沖星巡天項目僅觀測了可觀測天區的一小部分，就将已知毫秒脈沖星的數量增加了近10%，這是一個了不起的成就。”

團隊協作，探索快照模式，大幅提高觀測效率

“這些成果是團隊一起摸爬滾打做出來的。”韓金林感慨道。

傳統的望遠鏡觀測模式一般是一個點一個點地觀測。FAST安裝了19個接收機，意味着同一時刻可以把天上19個位置上任何星體發出的信号都記錄下來。“我們在此基礎上突破創新，采用了更高效的觀測模式，即快照模式。這19個接收機仿佛19隻凝視星空的眼睛，通過快速微調望遠鏡，讓‘眼睛’略微轉動，把一整塊天區全部覆寫，大幅提高觀測效率。”韓金林說。

為了測試快照模式，并驗證銀道面脈沖星巡天項目的可行性，2019年3月17日，國家天文台副研究員王陳等6人趕赴1700多公裡之外的深山——貴州省黔南布依族苗族自治州平塘縣克度鎮大窩凼，FAST就坐落于此。

“FAST的接收面積相當于30個标準足球場，沿着望遠鏡走一圈大約1.6公裡。”王陳被眼前的景象深深震撼，“我們一定要用好它！”

觀測試驗分為3個小隊：一隊由高旭陽和侯立剛負責19波束分布測試；二隊由王陳和孫京海負責快照模式控制的測試；三隊由王鵬飛和王濤負責脈沖星資料處理流程開發。當晚，第一次觀測試驗開始。按照事先計算的結果，如果19波束排布圖準确，那麼FAST的第十八個波束應該能看到一顆明亮的脈沖星，結果一無所獲，加之試驗時間有限，大家頓感壓力巨大。

經過緊張的複核，仔細檢查每一行代碼，最後發現是接收機轉動方向與預期相反導緻的。大家立即改正程式，展開第二次測試。3月21日下午，大家屏息凝神，等待觀測結果。一條條明亮的脈沖清晰出現在電腦螢幕中央，“看到了，看到脈沖星了！”這是項目組第一次利用FAST觀測到脈沖星，所有人心中都充滿了無限自豪。

為了配合一隊、二隊的進度，三隊幾乎不眠不休開發軟體，全力為快照觀測模式下的資料處理提供基礎程式，并為後續搜尋工作做準備。這3個小組互相獨立又高度協作，幾天内就完成了測試任務。資料表明，觀測同樣面積的天區并達到相同的靈敏度，快照模式僅需21分鐘，傳統的跟蹤觀測模式則需要40到60分鐘。

“一個看似不起眼的小錯誤都可能帶來大麻煩。”韓金林說。他搭建了一個脈沖星搜尋流水線，把用于搜尋的各個子產品都串聯起來，以實作全自動化搜尋脈沖星的目标。脈沖星搜尋需要周遊所有可能的色散量，幾個月後，團隊突然發現，搜尋結果中少了一批脈沖星。經過排查，最終發現是早期的一個子產品中，有一行程式少了一個逗号。修改這個錯誤後，項目組不得不将之前幾個月的海量資料重新處理，否則就會遺漏大量的脈沖星。

吃苦耐勞，争分奪秒，實作搜尋工作持續疊代

“十小時工作制”，韓金林常對團隊裡的年輕人這樣說。實際上，韓金林付出的精力遠不止于此。“韓老師經常工作到半夜一兩點，第二天一大早又來辦公室，幾乎全年無休。”博士生王濤說。

受韓金林的影響，項目組的年輕人也是早來晚走，有時幹脆睡在辦公室裡。“有一次大年初一，微信群裡還在讨論任務。半夜一兩點微信群裡還有新消息，更是常事。”博士生周德江說。

2019年9月，為了取得階段性成果，韓金林帶領學生處理FAST調試資料，力求在較短時間裡能有更多發現。當時項目組已觀測了五六十個天區，每個天區都能産生幾千甚至上萬個脈沖星候選體的圖檔，但其中九成以上都是幹擾信号。由于早先國際版人工智能打分程式對幹擾剔除不夠充分，隻能人工進一步篩選出真正的脈沖星信号。

同學們輪番上陣，24小時連軸轉，硬是在3天内從20多萬張圖檔中把20多顆優質的脈沖星篩選出來了！“真是沙裡淘金，長時間緊盯電腦螢幕，眼睛又澀又酸。”團隊成員顔一說，但看到20多顆優質脈沖星，感覺一切都是值得的。

國外現有程式是按照特定望遠鏡參數設定的，并不适用于處理FAST搜尋資料；逃過AI篩選的幹擾信号數量很大，人工篩選不是長久之計。項目組總結了幹擾信号的特征，認為完全可以想辦法直接剔除。為了能寫出一個計算速度快、應用效果好的程式，周德江吃住都在辦公室。“這些年輕人個個都是好樣的！他們吃苦耐勞，為團隊節省了不少時間和資源。”韓金林贊歎道。經過團隊共同努力，脈沖星搜尋工作終于實作了自動化，并且一直更新換代。

功夫不負有心人。2019年底，經過FAST科學委員會征集、評估和遴選，銀道面脈沖星巡天項目最終被列入FAST五個重大項目之一，2020年初正式開啟巡天觀測。截至目前，項目共計觀測了約300平方度的銀道面區域，占項目總體規劃的10%，但已經取得了豐碩的科學成果。2020年底和2022年底，這支年輕的隊伍兩次被評為國家天文台優秀科研團隊。

“我們趕上了一個好時候，一分一秒都耽誤不得。”韓金林說。早年，中國沒有大型望遠鏡，天文學研究嚴重受限。韓金林曾争取到澳洲帕克斯望遠鏡600多個小時的使用機會，他分秒必争地觀測，最終和北京大學天文系教授喬國俊合作完成銀河系磁場的研究，獲得2006年度國家自然科學獎二等獎。“你要繼續努力，再攀高峰！”韓金林永遠銘記着導師王绶琯院士的諄諄囑托。

目前FAST執行的天文觀測項目有160多個，每個項目觀測的時間都掐秒計時。“我們希望用5年左右時間完成全部内銀道面和部分外銀道面的巡天觀測，争取發現1000顆脈沖星。通過深入研究新發現的天體，來檢驗現有的實體模型，乃至發現新的實體規律。”韓金林充滿信心地說，“再用8到10年，争取把銀河系看遍！”

靠奮鬥，從跟跑、并跑到領跑（記者手記）

“整整浪費了15分鐘呐！”有一回，團隊成員因為忘記關閉望遠鏡校準校号，導緻15分鐘的觀測資料無法使用。項目需要觀測數萬次，每次要在界面上人工點選輸入幾十個參數，難免出錯。但時至今日，記者仍然真切地感受到韓金林深深的惋惜……

惜時如金，既是出于對大科學裝置巨額投入和使用效率的考量，也是這些青年科技工作者責任感和使命感的展現。正是幾代天文工作者自覺接續奮鬥，勇攀高峰，才使中國在脈沖星觀測和研究等領域實作從跟跑、并跑到領跑的跨越。

漫漫星空，探索未有窮期。一棒接着一棒跑，中國的天文事業必将抵達一個個新高度。