北京2020年12月1日 /美通社/ -- 2020-2021 ASC世界大學(xué)生超級計(jì)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(duì)伍將在兩個(gè)月的時(shí)間內(nèi),完成一項(xiàng)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(shí)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(shí)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(jià)值,是因?yàn)樗臉O端物理性質(zhì)是天然的極端物態(tài)實(shí)驗(yàn)室,科學(xué)家通過對脈沖星信號的觀測,可以檢驗(yàn)引力理論研究致密星的物理。同時(shí),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(jì)時(shí)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。
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(shí)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(jì)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(jì)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(jì),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(shí)間序列,然后對時(shí)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(duì)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(jì)算時(shí)間和所需資源。
牛佳瑞博士表示,PRESTO賽題將是對各參賽隊(duì)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(jì)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。