北京2020年12月1日 /美通社/ -- 2020-2021 ASC世界大學(xué)生超級計算機(jī)競賽 (ASC20-21) 已進(jìn)入預(yù)賽階段，來自全球各大高校的參賽隊伍將在兩個月的時間內(nèi)，完成一項尖端科學(xué)的大挑戰(zhàn) -- 脈沖星搜索。他們將從“中國天眼”500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡 (FAST) 真實(shí)觀測數(shù)據(jù)中，利用開源軟件套件PRESTO搜尋脈沖星的信號數(shù)據(jù)，并盡可能縮短分析時間。ASC大賽希望通過這道賽題讓大學(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)營上，賽題專家、中國科學(xué)院國家天文臺牛佳瑞博士進(jìn)行了解答。
脈沖星：宇宙時鐘
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價值，是因為它的極端物理性質(zhì)是天然的極端物態(tài)實(shí)驗室，科學(xué)家通過對脈沖星信號的觀測，可以檢驗引力理論研究致密星的物理。同時，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題，例如引力波探測、航天器導(dǎo)航等等。比如，如果科學(xué)家們通過高精度的脈沖星計時研究，就可以利用脈沖星建立宇宙級的“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)鏡探測脈沖星，本質(zhì)上是探測脈沖星發(fā)出的輻射信號。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的觀測數(shù)據(jù)，天文學(xué)家已發(fā)現(xiàn)超過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強(qiáng)得多，如何識別消除它們是脈沖星搜尋的大問題。二是觀測數(shù)據(jù)量龐大，F(xiàn)AST觀測脈沖星每秒會產(chǎn)生3GB數(shù)據(jù)，月數(shù)據(jù)量達(dá)到了PB量級，這樣大量的數(shù)據(jù)既難于處理，又難以儲存。為了能夠及時分析FAST產(chǎn)生的龐大數(shù)據(jù)，科學(xué)家需要使用性能強(qiáng)大的超級計算機(jī)對觀測數(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)計目的是從對球狀星團(tuán)的長距離觀測中有效地搜索毫秒脈沖星。據(jù)統(tǒng)計，在過去的幾十年里，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，是揭開它的面紗，即盡量消除干擾信號。接下來，需要對信號進(jìn)行消色散，生成時間序列，然后對時間序列進(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，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超算大賽激勵大學(xué)生探索宇宙奧秘
ASC20-21的PRESTO賽題要求各參賽隊伍在功耗3000W約束的超算平臺上，運(yùn)行組委會統(tǒng)一提供的FAST觀測數(shù)據(jù)集，最終準(zhǔn)確尋找到脈沖星候選體，并且要對PRESTO運(yùn)行過程進(jìn)行分析和優(yōu)化，盡可能地降低計算時間和所需資源。
牛佳瑞博士表示，PRESTO賽題將是對各參賽隊伍從理論到實(shí)踐的全方位挑戰(zhàn)。一方面，PRESTO賽題的比賽數(shù)據(jù)全部來自真實(shí)的天文觀測數(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，也必須要深入學(xué)習(xí)和了解脈沖星搜索的相關(guān)知識，這將有助于大學(xué)生拓展天文學(xué)理論知識，激勵他們發(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)生超級計算機(jī)競賽是由中國發(fā)起組織，并得到亞洲及歐美相關(guān)專家和機(jī)構(gòu)支持，旨在通過大賽平臺推動各國及地區(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，吸引超過近萬名世界各國大學(xué)生參賽，是全球最大規(guī)模的超算競賽。ASC20-21超算競賽總決賽將于5月8日-12日在位于中國深圳的南方科技大學(xué)舉行。
