国家天文台首席科学家李菂-射电天的突破证明试验科学国之重器的重要性 (国家天文台首席研究员邓李才)

中国天眼FAST最近再次取得重大发现，封面新闻记者欧阳宏宇报道了这一消息：首次发现了两个活跃重复快速射电暴（FRB）的圆偏振，精细描述了动态宇宙中的偏振特征，有望揭示一些神秘天体物理现象的起源。这个发现的背景是什么？它的意义又在哪里？1月8日，在2023年复旦大学管理学院的新年论坛上，国家天文台FAST运行和发展中心首席科学家李菂表示，快速射电暴的研究将有助于揭示宇宙中各种神秘信号的精细特征，包括能量、爆发时间和偏振性质等。这一领域的相关研究被认为是自引力波观测以来天文学领域最为重要的发现之一，证明了人类生活在一个剧烈变化且丰富多彩的动态宇宙中。

人类对于宇宙的普遍认知是，宇宙最初是一个奇点，经过剧烈的大爆炸后急剧膨胀，随着能量的下降，能量转变成了物质。在原子水平上，最基本、最主要的物质成分是氢原子。随着宇宙的持续膨胀，氢原子将进一步形成恒星、行星和生命，构成了如今丰富多彩的宇宙。即使在当前，可见的星系和恒星的总质量也远远小于氢原子，而现代射电天文学的里程碑就是氢原子的实验性发现，李菂表示。

李菂认为，推动射电天文学领域不断取得突破的三个重要节点是：哈佛大学物理系尤文博士的意外发现，开启了现代射电天文领域的大门；雷达专家意外提出并建设了领先世界半个世纪的重要设备——阿雷西博望远镜；中国天眼通过克服各种困难取得了前沿成果，例如原创方法精确测量宇宙磁场，在快速射电暴（FRB）领域从追赶者转变为引领者等。目前，中国天眼通过CRAFTS巡天已经发现了4例快速射电暴，据测量推断，全宇宙每天爆炸到达地球的数量超过12万次。相应的研究数量也在不断增加，在中国天眼之前，这类研究文章的比例为0；到2022年，相关研究的比例已经超过70%，充分展现了试验科学领域国家重器的重要性。

对于这一点，李菂表示，中国的射电天文学研究已经到了一个历史性的节点，不再需要区分是国内领先还是国际领先。我们的目标只有一个，那就是创造与我们所处的时代、文明以及人类文明发展历史相匹配的成就。

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中国天眼在什么方面的发现为中国实现了零的突破

“中国天眼”发现脉冲星　实现我国该领域“零的突破”。

2017年10月10日，在中科院国家天文台，FAST工程副总工程师李菂在介绍新脉冲星发现过程。当日，中国科学院国家天文台宣布，被誉为“中国天眼”的500米口径球面射电望远镜（FAST）经过一年紧张调试，已实现指向、跟踪、漂移扫描等多种观测模式的指顷运顺利运行，并确认了多颗新发现脉冲星。

这是我国天文望乎配远镜首次发现脉冲星，距“天眼之父”南仁东病逝不到1个月。

500米口径球面射电望远镜开创了建造巨型望远镜的新模式，建设了反射面相当于30个足球场的射电望远镜，灵敏度达到世界第二大望远镜的2.5倍以上，大幅拓展人类的视野，用于探索宇宙起源和演化。

诺贝尔奖级别的发现：

对于为何FAST射电望远镜落成近一年后才有这样的成果发现，姜鹏对南都记者介绍，是因为经过不断调试，在2017年8月，FAST射电望远镜在测量和控制精度上才达到足够好的性能和指标，对其扫描数据进行分析处理后，才发现了新的脉冲星。

其实一开始发现很多脉冲星，但有些是以前人们看到过的唯梁，得把这些排除掉，剩下20多个比较好的候选体，找了国外的望远镜进行认证，有的一下就看到了，有的还没看到。对看到的脉冲星候选体做了认证，就是新发现的脉冲星了，然后就发布了成果。

FAST首席科学家：AI是天文学重要工具，寻脉冲星难在哪

澎湃新闻记者 陈宇曦 2020年1月，被誉为“中国天眼”的500米口径球面射电望远镜（FAST）启动运行以来，中国天文学在脉冲星的观测研究上，有了长足的进步。 据国家天文台3月发布的消息，自通过国家验收启动运行以来，中国天眼FAST设施运行稳定可靠，发现的脉冲星数量已达到300颗。 为什么脉冲星如此重要？据新华社此前的报道，脉冲星是一种快速旋转的中子星，由恒星演化和超新星爆发产生，可用于引力波探测、黑洞等相关研究，这有助于解答许多重大物理学问题。 不过，即使有了中国天眼FAST的加持，寻找脉冲星也不是一件简单的事儿——据中国青年报1月份的报道，FAST在2018年观测时，峰值数据率每秒就可以达到38G。 其产生的海量数据，给FAST团队带来了巨大挑战。 面对海量的数据，如同大海捞针一般的搜索过程，人工智能或许可以发挥作用。 7月9日，在2021世界人工智能大会期间，腾讯与国家天文台合作的“探星计划”宣布正式启动，双方将基于优图实验室计算机视觉技术、腾讯云的计算及存储能力，帮助中国天眼FAST提升脉冲星搜索效率，并辅助快速射电暴和近密双星系统中脉冲星搜索，助力天文 探索 。 AI如何帮助天文学家寻找星星？如果没有AI，寻找脉冲星这个活儿，是如何实现的？寻找到脉冲星后有什么用？中国科学院国家天文台研究员、FAST首席科学家李菂在接受澎湃新闻在内的媒体采访时做出介绍。 并非像大众想象的那么“原始”，据李菂介绍，实际上，AI已经是天文学研究的一项基础工具。 “AI现是一个非常基础的重要的工具。 我们现在前沿很多课题是因为有AI的能力才这么设计的。 ”李菂说，“比如原来对电磁场的采样，30年以前的项目和现在的项目是完全不一样的，那时候的科学家和工程师要根据那时候的能力来设计项目，所以我们现在一开始坐在这儿想这个项目的时候，已经把我们有可能用到的技术算进去了。 ” 李菂表示，问天文学使不使用机器学习、深度学习等人工智能技术，就好像问“20年前天文学用不用电脑一样”，这些技术用得很多。 但真正遇到的挑战是，在李菂的团队里，虽然已经在普遍地使用AI，但一般只能用公开可以拿到的现成工具，目前没有真正能够做AI开发的人，“即使是能够去学一下新的技术，这样的人可能也就四、五个。 ” 据统计，天眼FAST在1周内产生的数据大约相当于3000万张信号图，如果以人工肉眼处理，按照1张/秒速度，在不吃不喝不休息的条件下，需要用一年的时间才能处理。 “一天多少个T的数据，靠一个人或者一个小团队，显然是有问题的。 ”李菂说。 中国天眼FAST所产生的数据，也就是AI需要处理的信号图具体都有什么内容？据李菂介绍，信号图是多种特征的组合，“数据是对电磁场的高速采量，在这上面做信号处理和频谱分析，得到的是一个视频，就是动态谱。 一个维度是时间，一秒钟700转，有1万个点。 另一个维度是频率。 ”李菂称，“这个东西人眼是没办法处理的，因为太快了。 1秒钟1万谱，从你眼前闪过去了。 （所以）我们处理的大多数情况是照片，把它截出来。 截出来以后可能量还是太大了，所以要做进一步的信息提取。 ” 复杂的图像数据 巨大的数据量，却正好是云和人工智能的最佳试验场。 今年初，主攻计算机视觉领域的腾讯优图实验室几位天文爱好者提出，可以将计算机视觉技术用于天文学中对脉冲星的搜索。 在联系到国家天文台后，很快达成了合作意向。 “我们会用机器学习的方式来寻找疑似样本，再交给专业的人员看是不是我们真正发现了信号。 ”腾讯优图实验室副总经理黄飞跃介绍。 在云和AI的辅助下，脉冲星搜索效率将得到显著提升——前述数据的处理，如果通过AI预筛选，只需要3天时间就可以完成。 黄飞跃介绍，AI探星的难点在于，过去做深度学习最核心的是要有海量的已经标注的数据作为训练数据，以优化和调整模型，但天文领域有标注的训练数据相对偏少，因此用来训练时存在难度。 此外，不同型号的观测设备所得到的数据、展现形式各异，也增加了数据处理的难度。 对于缺少标注的数据，黄飞跃称，该团队采用了“自监督的学习方法”，对于不同场景和设备的数据，则引入了“跨域学习”的技术。 最终的效果是效率和准确率都有了比较大的提升。 “这个阶段进行得很快，最近已经有脉冲星的发现，这是实打实的科学成果，我们还是非常兴奋的。 ”据李菂透露，与腾讯合作以来，已经新发现了5颗脉冲星。 “还有一个比较有意思的是：（脉冲星的）信号穿过星际空间，星际空间不完全真空，还有电子，就像光穿过水一样，会有折射。 折射在我们这个领域叫做射散，因为不同频率的光速度不一样，这样会产生类似于声波的多频效应，高频的信号先到，低频的信号后到。 通过处理，我们可以得到特征，通过这个特征继续反推星际空间中存在的物质。 ”《自然》就曾对2021年最值得关注的科学事件做出预测称，脉冲星将助力探测引力波。 李菂将脉冲星的研究在天文学中的地位，比作人工智能技术的发展。 可见的是，随着大数据、云计算等的发展，人工智能技术的研究与应用显著加速。 而观测设备的升级，让脉冲星的发现步伐也大大加快。 人工智能成为各行各业的助手，而脉冲星也成为人们研究宇宙的支点。 校对：丁晓

银河系还会有多少星星被点亮？FAST将寻找“新太阳的摇篮”

科学家估算银河系中有数千亿颗恒星，未来还会有多少恒星被点亮？科学家计划利用世界最大单口径射电望远镜（FAST）寻找“新太阳的诞生地”，更深刻地认识恒星乃至生命组分如何形成等问题。 最近，中国科学院国家天文台星际介质演化及恒星形成团组博士生左沛与其导师李菂利用3台国外的望远镜，在国际上首次观测到正在诞生的星际分子暗云。 这一成果发表于美国《天体物理》杂志，并被《自然》杂志选为研究亮点予以介绍。 国家天文台研究员、FAST首席科学家李菂介绍，氢是宇宙中丰度最高的元素，也是恒星形成的主要原料。 宇宙中氢主要是以氢原子的形式存在，而只有氢原子成为氢分子后，才能促成引力塌缩以及核反应，从而点亮新的恒星。 “科学家通常说我们都是星尘，实际上有两层含义：一层是构成我们生命的元素都是在恒星内部合成的，经过超新星爆发把物质抛射出来：另一层含义是，要形成恒星以及生命所需的复杂大分子，首先都要经历氢原子变氢分子的过程，而这关键一步是在宇宙尘埃的表面发生的。 ”李菂说。 科学家发现，星际间存在富含原子、分子气体及宇宙尘埃的黑暗区域，被称为星际暗云，这里是新恒星、新行星甚至可能的太空生命的诞生地。 然而星际暗云拥有银河系内最低的温度，约为零下263摄氏度。 这种温度下氢分子很难被直接探测到。 中国天文学家首创了一种名为“中性氢窄线自吸收”的观测方法，利用美国的Arecibo300米射电望远镜、FCRAO望远镜及欧洲的Herschel空间红外望远镜，首次观测到了一团中心已经是氢分子绝对主导，但“外壳”富含氢原子，正在形成过程中的星际暗云B227。 “这片云团的年龄是600万年，还是一个‘婴儿’，未来会有新的‘太阳’在其中被点亮。 尽管人类之前已经发现了数以万计的星际暗云，这是第一次捕捉到分子暗云正在诞生的样子。 ”李菂说。 以前科学家对于暗云中的氢原子需要多少时间变为氢分子是不清楚的。 根据经典的模型，一团分子暗云中生成一个“太阳”需要大约1000万年，但也有快速恒星形成模型认为只需百万年。 “我们这次的测量比较支持经典模型。 ”李菂说。 这一成果让李菂对于未来利用FAST寻找“新太阳”的诞生地充满信心。 “FAST在灵敏度和天区覆盖上的综合优势，使得我们可以大量研究银河系以及近邻的仙女星系中的分子云。 我们还准备与紫金山天文台银河画卷观测项目结合，系统捕捉诞生中的暗云，研究银河系未来还能生成多少个‘太阳’。 ”李菂说。 架设在贵州黔南州平塘县巨大天坑中的FAST于2016年9月竣工，经历了3年的调试期，今年9月将正式投入使用。 这个面积相当于30个足球场的望远镜，就像一只庞大而灵敏的耳朵，将倾听来自遥远星尘最微弱的“呢喃”，洞察隐藏在宇宙深处的秘密。 李菂说，FAST在调试期的表现令人超乎想象的满意。 他说，宇宙中生成了氢分子后才有复杂的化学过程，形成复杂的大分子。 现在看来生命的组分氨基酸在天体化学的条件下是很容易形成的，未来几年很有可能在太空找到氨基酸分子。 与太空生命起源相关的分子观测也将是FAST的研究课题之一。