教育纵深 | “算”出来的毫秒脉冲星|国家天文台|宇宙|星体|脉冲星|自转

夜空中美丽浩瀚的星河，总是能引发无尽的想象，为了揭开日月星辰的奥秘，人们也从未停止对宇宙的叩问和探索。正像儿歌里唱到的一样，“一闪一闪亮晶晶”，在宇宙繁星中真的有一类特殊的“眨眼睛”的星星，那就是脉冲星。今年年初，就有这么一颗毫秒脉冲星落上了山东“户籍”，这也是齐鲁师范学院联合国家超算济南中心借助“中国天眼”，基于我省自有科研资源发现的首颗毫秒脉冲星，这颗脉冲星是怎样被发现的？背后又有哪些科技支撑？

毫秒脉冲星落上山东“户籍”

此次发现的新毫秒脉冲星被命名为PSR J1810-0622，该毫秒脉冲星自转周期为4.55毫秒，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。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。

脉冲星是宇宙繁星中一种非常有趣的星体，因其许多不可思议的性质和潜在的应用价值，天文学家们为之深深着迷。一边飞速自转，一边有节奏地弹出脉冲，脉冲星可以说是理想的天体物理实验室，脉冲星的研究也成为世界科技强国竞逐的自然科学高地。

齐鲁师范学院物理与电子工程学院院长张洁介绍，脉冲星的自转周期非常稳定，可以和世界上最精准的原子钟相媲美，同时它发出的精确的周期性脉冲信号还可以为太空中的航天器提供导航。

“追星星的人”揭开脉冲星神秘面纱

浩瀚苍穹，繁星点点，这颗毫秒脉冲星又是如何被发现的呢？秘密就藏在“中国天眼”接收的大量数据之中。FAST全称500米口径球面射电望远镜，坐落在贵州省平塘县，形似一口大锅，是全世界最大单口径射电望远镜，有“中国天眼”之称。它能捕捉各类天体发出的电磁信号，每秒接收数据约1.6GB，相当于一部高清电影的存储量，要在如此庞大的数据中搜寻一颗脉冲星显然并非易事。

齐鲁师范学院物理与电子工程学院教师王泽睿打了一个比喻，在宇宙中搜寻脉冲星的过程就好像在一场正在举行的体育赛事中，从现场几万人甚至几十万人的欢呼声中找到一个小女孩的说话声。

与很多人想象的不同，用“天眼”观星，并不是真的在“看星星”，而是要对海量的数据进行计算、分析，进而从中筛选出脉冲星的痕迹。回忆起发现这颗毫秒脉冲星的过程，齐鲁师范学院物理与电子工程学院教师王泽睿表示师生们需要在脉冲星筛选数据库里搜索数百万张图片，从中筛选出存在脉冲星特征的候选体。有时候看了几万张图片，好不容易发现一张有信号的，后期检索却发现已经是别人发现过的，这种时候总会让人感到沮丧。

因为数据庞杂，学院的许多师生都参与到了这一项目中来。李慧是齐鲁师范学院物理与电子工程学院2022级的一名学生，之所以选择天文学专业，是因为在她心中，这应该是一个看星星、看月亮的浪漫学科。然而理想很丰富，现实却有点单调，如今，每天筛选信号图表已经成为她的生活常态。

李慧介绍，这是一项十分考验耐心和细心的工作，一组图片在三千张到六千张不等，自己一天可以筛两组，算下来在一万两千张左右。虽然数据庞杂，工作繁复，也难免感到枯燥，但是想到每一张图片、每一组数据的背后都可能隐藏着一个新的天体，大家也都乐在其中。

最终，30余名师生，用两年时间筛选了上百万张图片，终于揭开了这颗毫秒脉冲星的神秘面纱。

学校的投入与支持是毫秒脉冲星发现过程中强有力的一环。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。

2023年10月，齐鲁师范学院成立山东省首个、全国第19个天文系，打造特色小班制和导师制培养模式，吸引大批学子报考，圆梦天文。

“算”出来的毫秒脉冲星

除了科研人员的耐心钻研，此次认定也离不开算力的保驾护航，这颗新毫秒脉冲星不仅是用望远镜“看”到的，更是用计算机“算”出来的。

国家超级计算济南中心研究员郭猛介绍，像FAST这样的望远镜，传感器非常灵敏，每秒钟产生的数据量在1.6GB左右，一年产生的数据量大概是10到20个PB。个人电脑或者硬盘的存储量大概在500GB到1TB，这就相当于电脑或硬盘存储容量的数万倍，要分析这样的数据，就需要有大型的计算机系统。

随着数据成为重要的生产要素之一，算力也已经成为像“水电煤”一样支撑经济社会发展新的关键生产力，正像有了电，人们才能使用电器，工厂的设备才能运转，同样，在数字时代，无论是个人的衣食住行还是千行百业的发展，几乎都离不开算力的支撑。

国家超算济南中心拥有黄河流域“最强大脑”的美誉，走进济南超算的机房区域，数千台一人高的主机整齐地陈列在玻璃之后，相互串联，机身印有“山河”二字。这便是2021年在济南超算建成的新一代“山河”超级计算平台，它数据存储量大，算力高，济南超算科研团队助力新毫秒脉冲星认定的关键一步便是依托其卓越的计算和存储能力，对符合脉冲星特征的数据进行了优化提取。

除了对算法进行优化，国家超算济南中心还与国家天文台、齐鲁师范学院合作开发了全国首个脉冲星信号筛选数据库，通过训练人工智能模型，对大量图片进行预筛选，把有可能存在脉冲星迹象的图片筛选出来，再由科学家做进一步认定。这一数据库也将会面向社会开放，届时大众可以通过数据比对和深度学习让更多脉冲星拥有山东“户籍”。