[科学技术]“天眼”再立功 发现罕见快速射电暴“三连闪”

从设计、建造、竣工、试运行，到今年年初正式开通运营，“中国天眼”500米球形射电望远镜(fast)就像贵州喀斯特坑洼中的一颗明珠，一举一动牵动着天文学家乃至全国人民的心。最近，“中国天眼”做出了新的贡献，从宇宙深处发现了一个新的快速射电爆发源(frb)。

中国科学院国家天文台研究员朱维维、李毅及其合作者利用自主开发的搜索技术结合深度学习人工智能(ai)快速搜索fast的海量调查数据，发现了这一新的来源。最近，研究结果发表在《天体物理学快报》的网上。

类似于第一次重复无线电脉冲串的脉冲结构

“这是fast通过盲目搜索发现的第一个新的快速无线电突发源，命名为frb 181123。这个新源表现出两个特点:第一，脉冲轮廓表现出罕见的三峰结构，通常出现在重复的无线电脉冲串中；第二，弥散量高，在已知的快射电爆发中名列前茅，因此可以判断它来自宇宙的极深处。”朱薇薇告诉《科技日报》记者。

快速无线电脉冲是一种神秘的无线电脉冲，只持续几毫秒。过去观测到的大多数快速射电爆发都是一次性的，通常只有一个单峰结构，即望远镜接收到的光子数在某个时间点突然急剧上升，就像天空空突然闪烁，然后迅速消失一样。只有少数是快射电爆发的重复爆发，往往有多峰结构，也就是连续闪烁两三次，甚至更多。

朱维维说，这次发现的新源连续闪了三次，间隔大约5毫秒。第一次爆发的能量最高，最后两次爆发的能量大致相等，但比第一次要暗很多。“这与人们观察到的第一次重复无线电脉冲群frb 121102的脉冲结构非常相似。”

但当被问及新源能否判断为重复射电爆发时，朱维维的回答是否定的，“因为我们不了解快射电爆发的形成机制，所以不能单独用多峰结构来给快射电爆发贴上标签。今后我们会继续密切关注frb 181123，观察其是否重复。”

如何判断frb 181123起源于宇宙深处？

李毅在接受《科技日报》记者采访时指出，脉冲信号与星际、星系间电子相互作用，电磁波在不同频率下的传播速度不同导致色散，这与光穿过云层产生彩虹有着相同的物理基础。频率高的光子速度快，会先到达地球。通过测量不同频率光子的到达时间，可以计算出快射电爆发的色散程度。色散越高，光子的行程越长，离地球越远。这次发现的新源的弥散量大约是frb 121102的三倍，这意味着新源来自更深的宇宙。

“据估计，脉冲信号可能在宇宙中跋涉了大约100亿年，最终在2018年11月23日被‘fast’捕获。”朱薇薇说道。

“这一新发现依赖于fast的超高灵敏度。”李伟进一步解释说，射电望远镜和光学望远镜一样，孔径更大，灵敏度更高，接收到的电磁波更多，探测能力更强。如果frb 181123画在Star/きだよ 0的画布上，它可能是一种非常浅的颜色。就像fast在2018年探测到了历史上最弱的一颗毫秒脉冲星一样，其他国家的很多望远镜也多次看到了这颗脉冲星，充分证明了fast的“醒目”。

艾筛选学生"大海捞针"

除了fast的超级硬件配置外，后期数据的软件处理也是寻找快速无线电突发新来源的关键之一。

“我们发现新来源的数据来自fast的‘多科学目标漂移扫描天空调查’项目。”朱薇薇回忆说，当时fast处于调试期，白天需要完成很多工作。研究人员利用快速夜晚的“空空闲”时间打开这只“大眼睛”,对空.的天空进行漂移扫描

漂移扫描是一种简单快速的扫描方法，即快速本身保持静止，依靠地球本身的自转，可以使特定的天空区域“一览无余”。当然，在操作简单的背后，有着让研究者头疼的海量数据。特别是对于fast，可以同时看19个方向，数据流高达每秒几千兆。

这些数据并不都是有效数据，相反，大部分都是来自地球表面和卫星的干扰信号。在如此复杂的信号中寻找天体或特殊天文事件的信号无异于大海捞针。

“以前筛选数据的时候，一个人经常要看几百万张图片，一天下来就晕。现在我们采用了深度学习图像识别技术，允许ai先通过海量数据，可以将人工工作量减少近100倍。”朱薇薇说。

地面信号往往色散很小，而天体信号则没有。研究人员将信号数据转换成二维图像，然后将其放置在多层神经网络中。利用上述天体和地面信号频散的典型特征，筛选出天体信号，最终找出这种新的快速射电爆发源。

“在这个阶段，通过人工智能发现快速无线电脉冲的方法仍处于试验的早期阶段。在后续工作中，我们将把人工智能推广到更广泛的领域，并进一步开发实用功能。”朱薇薇坦言。

从一个“陌生人”到发现近千个

“中国之眼”的新出现引起了学术界的广泛关注。原因是在人类天文学史上，快速射电爆发仍然属于新的“陌生人”。

快速的射电爆发猛烈地释放出巨大的能量，相当于太阳一整天在几毫秒内释放出的能量。但那只是几毫秒昙花一现，直到2007年才第一次观察到。六年后，学术界再次观察到四次快速射电爆发。此后，快速射电爆发成为天文学中普遍关注的现象之一。FAST在2016年建成投入使用后，也加入了搜索快速无线电突发的大军。

作为fast的首席科学家，李毅对“紫家洼”的新发现感到欣喜。“新的天文领域正在迅速发展。近年来，人们发现的快速射电爆发数量急剧增加，总量接近1000次。我们将从2015年开始准备快速无线电突发搜索。虽然快速起步相对较晚，但这一发现显示了它在观察宇宙深处微弱信号方面的优势。这一发现的信号来自于宇宙演化中恒星出生率最高的时期。随后的fast还将进行更详细的研究，以进一步揭示快速无线电突发的来源和机制。”

“快速无线电脉冲本身仍然是一个新的未解之谜。发现更多的快射电爆发有助于揭示其起源，也可以利用快射电爆发现象进行宇宙学和基础物理方面的研究。”朱薇薇说。

记者从中国科学院国家天文台了解到，fast将通过“多科学目标漂移扫描调查”、“快速射电爆发搜索与多波段观测”等优先项目，发现并观测更多的快速射电爆发，进一步为研究其成因和发生机制做出贡献。(余子月)