上海天文台团队专攻观测数据处理，揭秘宇宙黎明和再电离探测

原标题：上海天文台团队专攻观测数据处理，揭秘宇宙黎明和再电离探测

抬头看星星，是人类最古老也最为自然的行动。从古代观星确定方位、指导农事生产，到现代用高精度观测设备开展天文观测和研究，人们对探索未知的渴望和揭秘宇宙的追寻始终不曾停息。

根据大爆炸宇宙论，宇宙诞生于一种极高温度和密度的状态，经过不停的膨胀和冷却，逐渐进入一个仅有氢原子和少数氦原子组成的气体、并且没有任何可见光出现的“黑暗时期”。

4 X5 a* V8 b% q1 U$ q8 q" n' A, L

数亿年后，第一批发光天体的产生和形成为宇宙带来第一缕曙光，气体中的氢原子也开始被辐射出的紫外光电离，直至电离区域覆盖宇宙所有的星系际介质为止。

6 \. l; A6 D6 K* @# B) {

这就是宇宙再电离时期。对该时期进行探测和研究，是目前天文学领域最为前沿的研究方向，有利于推动天文学和物理学迈向新台阶。

在中科院上海天文台，有一支名为“宇宙黎明和再电离探测”的年轻团队，其成员以 80、90 后为主，大多数毕业于国内外天体物理等相关专业。目前，他们主要采用由中国自主建造的 21CMA 射电望远镜阵列和澳大利亚的射电望远镜默奇森宽场阵列进行探测和数据处理等研究。

1 U/ e9 G7 A/ H0 w! n2 c! D

郑倩是该团队中的研究员之一，她的主要研究领域是宇宙再电离探测和低频射电数据处理等，并已取得了重要成果。2022 未来科学大奖周举办前夕，DeepTech 和她进行了交流。

$ v7 m- o6 O& P

图 | 郑倩（来源：郑倩）

! ` f( e3 w9 v+ o. F% R) E

探测宇宙第一缕曙光

当宇宙处于再电离期的时候，只存在分布广泛的中性氢原子，其可以发出波长为 21 厘米的辐射。要探测宇宙第一缕曙光，可以借助低频射电望远镜来探测中性氢的辐射信号。

这种信号非常微弱，比前景信号低了约 4-5 个数量级，对探测数据的处理方法、仪器设备的灵敏度和分辨率等有极高要求。但是，这也正是探测面临的最大难点。

为了建设符合需求的射电望远镜，郑倩和团队到雪山、沙漠等人迹罕至的地区选址。那么，为何要到这些地方开展选址工作，以及选址的注意事项有哪些呢？

对此，她解释说：“首先，是射电环境的要求。这些地方远离人类活动和调频广播信号的干扰。其次，要建设望远镜阵列，必须考虑地质环境的稳固性和供水、供电、交通等问题，满足后续科研和技术人员顺利进行实验和维护工作。同时，选址也离不开当地政府的支持。”

, M/ b7 D* G) n7 @8 n; f/ g& T' @

基于国内外射电望远镜阵列，该团队最终观测到大量实验数据。在数据处理的过程中，这些通过射电望远镜观测到的数据，必须经过数据处理才能形成可用的图像。比如，基于 21CMA 采集到的数据，会先保存到磁盘阵列上，后运送到国家天文台、上海天文台等地，再使用服务器进行数据处理。

! |; Z4 e! B" ?! c$ _, O5 ?3 Z

虽然现在已经有不少低频探测阵列，将宇宙第一缕曙光探测作为首要科学目标，但其灵敏度和分辨率还不能完全满足科研需求。与此同时，由于观测到的数据量非常庞大，现有的计算机水平和通讯技术也需要继续发展，才能更好地实现我们探测宇宙第一缕曙光的终极目标。

# z2 h; U) u$ L) C# H. @2 t) U

“我们能否探测到宇宙第一缕曙光，和科学方法的改进与技术的发展，以及计算通讯技术的提高和望远镜的建设都有关系。如果这些条件能够全部满足，探测到宇宙第一缕曙光的信号还是非常有可能的。”郑倩表示。

1 U7 e3 e# M: e. ]

成功发表北天极区域的低频射电源星表，积极参与 SKA 国际合作项目

2006 年，中国在新疆天山地区自主建设完成大型低频射电望远镜阵列 21CMA。作为中国唯一的平方公里射电阵（Square Kilometre Array，SKA）低频探路者设备，其主要用于开展探测宇宙第一缕曙光的工作。

据郑倩介绍，自研究生阶段起，她就加入了 21CMA 阵列相关实验研究。该团队基于 21CMA 得到了大量观测数据，他们完成了数据的处理和数据处理流程的建立，随后通过一些标准低频射电数据处理方案，形成了北天极区域的低频射电源星表。

在宇宙再电离探测领域，该星表的发表可以帮助科研人员进行数据的校准，更好地建立去除前景射电源的前景模型，进而有助于完成宇宙再电离信号的提取。

, ~. B, X! l; ]! \; p% U

谈及该成果的意义，她表示：“它是我们实现宇宙再电离探测目标的第一步工作，标志着中国能够建设可以正常工作的低频射电望远镜阵列，也能够形成完善的数据处理流程。”

- `$ Y1 {- p M/ J# ^, A

SKA 将会成为国际合作建造的人类历史上规模最大的射电望远镜阵列，也是计算机和信息通讯技术发展的产物。它由多个单元天线组成，将主要探索关于宇宙起源、星系演化、行星形成等重大科学问题。

据悉，2021 年 7 月，SKA 天文台启动了台址分别位于澳大利亚和南非的望远镜建设工作。同年 8 月底，中国 SKA 启动大会成功举办，标志着中国将作为正式成员国之一参与这项国际大科学工程。

在她看来，中国参与 SKA 国际项目，符合全球化的发展需求。其表示：“这不仅能够更好地锻炼我们的科学和技术团队，使其投入前沿科研研究领域，还有利于带动中国相关技术和产业的发展。”

目前，上海天文台承担了 SKA 专项重点科学方向“宇宙黎明和再电离探测”中的“宇宙再电离探测的观测数据处理”和“面向宇宙再电离探测的低频实验与观测”这两个项目。

. [7 S7 F4 Y+ H, p% f2 ~" u( d j

作为前一个项目的负责人，其表示：“因为 SKA 数据还未使用，所以该项目是实现 SKA 科学目标的第一部分。”

具体而言，得到观测数据后，需要进行数据校准、前景信号干扰去除等方面的数据处理，才能使其变成可被科研所用的数据。

据她介绍，“宇宙再电离探测的观测数据处理”项目主要包含以下工作。基于 21CMA 阵列和澳大利亚射电望远镜默奇森宽场阵列的观测数据，完成关于数据处理方法、仿真和技术研发等相关工作。同时，还将开展一些独立实验，不但基于射电阵列进行信号的测量，也会通过单天线或小阵列的形式进行全天总功率信号的测量。

+ o \/ _/ R) M

从工具上看，虽然处理低频数据已有许多常用工具，但 SKA 阵列规模庞大，会有海量数据产生，现有工具并不能满足对这些数据的处理需求。为解决这个问题，郑倩团队正在进行数据处理的完备工作，包括干扰的去除、数据的校准定标、信号的统计分析和成像等。不仅如此，其还尝试基于深度学习算法，进行前景成分提取和拟合的工作。

6 S; f% C) x" ~5 {' R& F% M: E

而谈到天文工作最吸引自己的地方，她表示：“一是满足探索人类未知的好奇心需求，二是推动国家科技发展，帮助中国科研团队争取国际地位和话语权。”她与团队成员也积极参与各种形式的天文科普。而上海天文台也为科研团队提供了良好的科研条件，或许在不久的将来宇宙的曙光即将被揭开“面纱”。

9 B$ E5 |- A1 o+ _- t: X7 B

另据悉，2022 年 11 月 24 日至 27 日，2022 未来科学大奖周即将举办。为期 4 天的大奖周将包含获奖者学术报告会、科学峰会、获奖者对话青少年、颁奖典礼等系列活动。届时郑倩将发表主题为《平方公里阵列射电望远镜：SKA》的演讲。返回搜狐，查看更多

8 Z$ @$ C5 x2 K9 Y& N" L: o

责任编辑：

+ }/ O" i2 N" C# w ; D T' k) @/ p7 p& @