国家重点研发计划“SKA前期数据处理系统建设和相关科学预研”简介

在继承平方公里阵列(Square Kilometre Array,SKA)望远镜的中国低频探路者——"宇宙第一缕曙光"探测项目21CMA在十年间所积累的经验和广泛国际合作的基础上,计划小规模改造现有设备,迅速掌握数字多波束合成、高动态大视场成像、前景去除等SKA低频成像的关键核心技术。同时,与SKA低频阵(SKA-low)先导设备MWA(Murchison Widefield Array)开展深层次合作,预选未来用于SKA1-low宇宙再电离深度成像的观测候选区域,为最终利用SKA第一阶段(SKA1)低频阵列,对选定观测候选区域进行深度定点观测做好充分准备,最终实现SKA1既定的首要科学目标。该项目还将建设中国SKA区域中心数据处理原型样机,并以21CMA和MWA实测数据为基础,完成低频射电干涉成像的数据处理流程,为建设中国SKA区域数据中心打下基础。     

基于Python的SKA-RASCIL中的天线增益校准实现

天线增益校准是射电天文观测数据处理过程中的一个关键步骤。分析了经典的天线增益校准算法Antsol的基本原理,并基于Python对Antsol算法进行了高性能实现,所完成的程序代码已经集成到平方公里阵列(Square Kilometre Array,SKA)的射电天文模拟校准成像软件(Radio Astronomy Simulation,Calibration and Imaging Library,RASCIL)中,不仅为当前平方公里阵列数据处理提供了支撑,也为未来数据处理的性能优化提供算法参考。     

基于分布式执行框架的低频射电干涉阵列成像管线优化

平方公里阵列(Square Kilometre Array,SKA)项目是建设全球最大射电望远镜的国际合作项目,其灵敏度和测量速度将比当前所有的射电望远镜都要高出一个数量级.连续谱巡天是SKA的主要观测模式之一,基于连续谱成像建立巡天区域的标准星图,将能为后续天文科学研究奠定重要基础.银河系与河外星系全天默奇森宽场阵列拓展巡天(GaLactic and Extragalactic All-sky Murchison Widefield Array survey eXtended,GLEAM-X)是2018—2020年利用SKA先导望远镜默奇森宽场阵列(Murchison Wide-field Array,MWA)二期拓展阵列开展的新的射电连续谱巡天项目,观测期间积累了大量的低频巡天观测数据.海量观测数据的自动化、大批量处理是SKA望远镜项目所面临的的最大挑战和难题之一,基于分布式执行框架的成像管线优化经验将有助于解决海量数据处理问题.详细介绍了GLEAM-X成像管线并对其进行整合和改进,在中国SKA区域中心原型机(China SKA Regional Centre Prototype,...     

uv-faceting成像并行算法研究

uv-faceting成像是目前广泛使用的大视场成像技术之一,将被考虑应用于平方公里阵列(Square Kilometre Array, SKA)第1阶段(简称SKA1)低频阵列的数据处理当中.由于SKA1产生的原始数据规模空前巨大,直接使用uv-faceting成像进行数据处理效率将会非常低.为此,提出了基于MPI (Message Passing Interface)+OpenMP (Open MultiProcessing)的uv-faceting成像算法和基于MPI+CUDA (Compute Uni?ed Device Architecture)的uv-facteing成像算法,对该算法中最耗时的数据读取和栅格化(gridding)这两个步骤进行并行优化.验证性结果显示提出的两种算法得到的结果与当前主流的数据处理软件(Common Astronomy Software Applications, CASA)得到的结果基本相同,表明提出的两种算法基本正确.对准确率和总运行时间的分析表明,无论在正确率还是运行速度上MPI+CUDA的方法比MPI+OpenMP的方法更优.性能测试结果表明提出的算法有效且具有一定的可拓展性.     

倒“V”型栅板偶极子天线设计

射电天文在HF-VHF频段采用天线组阵的方式进行观测,根据平方公里阵列(Square Kilometre Array, SKA)的要求,每个阵列单元天线的增益、结构一致性、稳定性、阻抗变化趋势和极化纯度等方面需要达到较高指标,才能满足太阳、木星、再电离纪元等多种测量在极化测量、天线跟踪稳定性以及接收机宽带匹配等方面的需求。根据SKA requirement 2165:极化纯度2135-38和每极化方向灵敏度2814-15提出的性能需求,以及在总结原有设计的经验后,针对10～90 MHz频段,设计了一种适用于HF-VHF的新型倒“V”型栅板偶极子天线,具有重量轻、风阻小等优点,在10～90 MHz的超宽频段内阻抗变化缓慢、极化纯度良好。其中,在阻抗变化方面,天线的阻抗实部从0.8Ω到631.132Ω变化,优于低频射电阵列(Low Frequency Array, LOFAR)的天线,降低了接收机匹配难度和噪声;在极化纯度方面,天线整体轴比小于0.41 dB,对于太阳射电爆发等强极化信号具有良好的极化隔离度。     

基于Spark的SKA1-MID自校准管线分布计算实现

平方千米阵列(Square Kilometre Array, SKA)科学数据处理产生的数据超出了所有已存在的分布式处理系统的处理能力,如何实现一个分布式执行框架是当前科学数据处理的一个重要研究内容。Spark是一个非常成熟的商业框架,在互联网中被广泛应用,根据平方千米阵列项目进展的要求,重点研究了如何将算法参考库(Algorithm Reference Library, ARL)中的部分管线移植到Spark上执行。对部分实现过程进行了分析讨论,给出了相应的任务流程。最终结果表明,移植后代码生成结果符合预期,Spark能够满足部分分布式数据的要求,但迫切需要解决自身存在的一系列问题。     

低频射电望远镜阵列宽视场成像技术研究

低频射电望远镜阵列宽视场成像正面临着一系列难点问题,其中最关键的问题是非共面基线效应.它的存在使得忽略w项将导致最终图像出现畸变,且随着视场的增大而加重.综述并剖析了几种w项改正算法及其技术原理,并分析了它们的计算成本和计算复杂度,进而分析比较了它们的优缺点.以平方公里阵(Square Kilometre Array,SKA)射电望远镜第1阶段低频阵列为研究对象,选取faceting和w-projection成像算法进行了仿真实验.与传统的二维傅立叶变换成像算法进行对比,分析了它们的成像质量和正确性,结果表明这两种算法在宽视场成像方面均明显优于二维傅立叶变换方法.还具体分析了分面(facet)的数目对faceting成像质量和运行时间的影响,以及w步数对w-projection成像质量和运行时间的影响,表明facet数目和w步数的选择必须合理.最后,分析了数据量大小对这两种成像算法运行时间的影响,表明这两种算法在进行海量数据处理前,需要作算法优化改进.研究结果为后续进一步综合分析宽视场成像技术以及这些技术的实用性研究提供了有价值的参考.     

宇宙黎明和再电离时期低频全天总功率探测实验现状

宇宙黎明和再电离时期探测是目前宇宙学最前沿科学研究方向之一.对这一时期的直接探测只能依赖于观测来自这一时期红移后的中性氢21 cm信号,其3种主要探测方式之一是21 cm信号全天总功率测量.在此回顾已有和正在计划中的探测宇宙黎明和再电离时期的低频全天总功率测量实验及其进展,包括地面射电望远镜如BIGHORNS¹、EDGES²、LACE³、LEDA⁴、MIST⁵、REACH⁶、SARAS⁷ 3、SCI-HI⁸、PRI^ZM⁹以及空间低频总功率相关实验如DARE¹⁰、DAPPER¹¹、FARSIDE¹²、鸿蒙计划.其中, EDGES实验是目前唯一声称观测到疑似宇宙黎明信号的实验,然而其实验结果与标准宇宙学模型(Λ Cold Dark Matter,ΛCDM)有不符之处.如果该探测结果被证实,那么这将是人类第1次...     

宇宙再电离时期的kSZ效应和X射线背景与21 cm信号的互相关研究

正宇宙再电离是宇宙从黑暗时期到完全电离过渡的重要阶段,也是宇宙学研究的一个非常重要的课题,但是目前为止人们对宇宙再电离仍然缺乏足够精确的观测,其中最大的问题是微弱的有效信号往往淹没于巨大的前景噪声中因而很难提取出来.本工作中研究了宇宙再电离时代的动力学苏尼阿耶夫-泽尔多维奇效应(Kinetic Sunyaev-Zel’dovich, k SZ)、X射线背景以及与中性氢的21 cm信息的互相     

中等质量黑洞活动星系核的射电连续谱研究:总结与展望

中等质量黑洞活动星系核(intermediate mass black hole active galactic nuclei, IMBH AGN)是指中心黑洞大约在10~2M⊙~10~6M⊙质量范围的活动星系核。关于近邻宇宙中IMBH AGN的研究,对于理解高红移类星体中的超大质量黑洞起源(即"种子黑洞问题")、低频引力波源等基本问题有着重要意义。得益于近20年来大规模光学光谱巡天的发展,已发现近邻宇宙中的宽线IMBH AGN的数目超过500个。对于这些光学选IMBH AGN,基于VLA FIRST巡天数据,针对小样本或个源的专门射电连续谱观测,已取得不少结果。从射电形态、连续谱谱型、射电功率和射电噪度、黑洞吸积基本面这四个方面,详细地介绍了目前IMBH AGN射电连续谱研究的进展。并且,分别面向当前正在开展的几个SKA探路者大规模连续谱巡天项目,以及大约10年后运行的SKA (至少是SKA一期),展望了IMBH AGN领域将来可以进行研究的科学目标。     

基于NGAS的多点观测数据存储与同步方法

平方千米阵列(Square Kilometre Array, SKA)望远镜建成后将具有超高的灵敏度、超快的巡天速度以及宽视场,进而产生超海量的观测数据。SKA天文台与各国区域数据中心间的海量数据同步传输是当前SKA建设中的一个难点。SKA先导项目使用的下一代归档存储系统(Next Generation Archive System, NGAS)在应用测试中存在效率低下,性能不足等问题。提出了一种基于ZeroMQ的数据存储与同步方法,通过采用更加高效的异步消息机制实现同步传输数据,回避了NGAS原有的采用HTTP协议的局限。实验结果表明,新方法在平均数据归档存储效率方面比原有方法快了近40倍,能够基本满足10 GB带宽的全速传输需要,取得了较好的使用效果。     

蜘蛛脉冲星掩食现象的研究进展

蜘蛛脉冲星的发现是研究毫秒脉冲星演化的重要进展,它们被认为可能是孤立毫秒脉冲星的来源之一。蜘蛛脉冲星系统含有丰富的观测现象,其中最重要的就是脉冲星的掩食。掩食脉冲星的研究可以帮助理解脉冲双星的演化、球状星团的形成和星际介质等。介绍了近年来脉冲星掩食研究的主要进展,包括脉冲星的掩食特点,掩食脉冲星系统的统计和举例,并阐述了常用的掩食机制。在未来10年里,随着超高灵敏度和超快巡天速度的射电望远镜的投入使用,如平方公里阵列射电望远镜(Square Kilometre Array, SKA)等,掩食脉冲星的研究有望打开新局面,并对掩食机制理论的发展产生积极的影响,帮助解决一些未解之谜。     

孔径阵列技术及其在射电天文中的应用

该文概述了近十余年来得到较多研究和发展的孔径阵列技术及其在射电天文中的应用,如高效馈源照明、扩大单反射面射电望远镜的视场、高效多波束、射频干扰抑制、对射电望远镜反射面缺陷的补偿等.随着孔径阵列(Aperture Array Tiles,简称 AAT)技术的日益成熟和成本的降低,AAT技术有可能成为全新一代射电望远镜(例如无反射面射电望远镜和软件射电望远镜)的基石.     

VMOs电离宇宙对3K背景辐射的Zeldovich效应

本文假设星族Ⅲ是由大质量恒星VMOs组成,VMOs的高光度辐射将使背景宇宙重新获得电离。我们讨论了宇宙热电子对宇宙微波背景的康普顿散射效应。结果表明,VMOs时期的电离宇宙将使3K背景辐射产生一个畸变,在低频的瑞利一金斯频率范围,温度偏差为:凸T_0/T_0～10~(-3)—10~(-5),一旦这个量被观测到,将是对VMOs现象进行确证。     

伽马天文观测技术综述

伽马射线作为宇宙中极端事件的独特探针,探测伽马射线是人们了解宇宙构成、星体演化和宇宙线起源等的重要途经.伽马天文涉及了宇宙中的各种前沿科学问题并且观测所需能谱跨度极宽(102 keV–102 TeV),针对不同的科学目标和细分谱段,必须利用不同的伽马望远镜探测技术.总结了空间和地面的共5大类伽马射线观测技术,分别是编码孔径望远镜、康普顿望远镜、电子对望远镜、成像大气切伦科夫望远镜和广延大气簇射阵列;回顾了70 yr来在观测设备和技术进步的推动下伽马射线天文学领域的巨大进展,其中包含高能和甚高能谱段取得的大量成就,中低能段由于已有观测任务有限以及灵敏度低,超高能和极高能段由于观测难度大、起步时间晚,数据和成果相对其他谱段产出较少;展望了未来已经规划的伽马望远镜任务、能力及预期科学产出,其中,中低能段空间望远镜增强型ASTROGAM望远镜(e-ASTROGAM)、全天区中能伽马射线观测站(AMEGO)和甚高能段地面望远镜阵列高海拔宇宙线观测站(LHAASO)、切伦科夫望远镜阵列(CTA),由于灵敏度较同谱段已有任务灵敏度有大幅提升,极有可能在20 yr内从不同角度再度扩展人类对伽马宇宙的认知.     

太阳低频射电干涉阵的构建仿真

介绍了低频射电干涉阵的发展情况、研究领域,讨论了国际上的LOFAR、LWA和MWA等低频射电项目.借鉴当今的低频射电项目,结合云南的地理和太阳射电优势,设想在云南省内构建一个太阳低频射电干涉阵,观测频率在30 MHz～250 MHz范围内,文中仿真了太阳低频射电干涉阵(4台站),比较和分析了通过优化算法得到的阵列的UV覆盖、脏束(Dirty beam);讨论了低频射电干涉阵的观测模式、射电干扰、低频射电成像等问题;分析低频射电阵在观测太阳爆发性活动产生的日冕物质抛射(Coronal Mass Ejections,CME)、耀斑、射电爆发的可能性;通过上述的仿真和分析构建太阳低频射电干涉阵面临的问题,可以为今后建立阵列提供依据.     

电离弥漫星云的热致无糍电辐射

一、绪言星际等离子体的热致无线电辐射理论使我们能够判断电离氢的若干物理特性.现代射电天文学虽然是年轻的科学,但它研究的范围很广:包括银河系和河外星系的无线电辐射(整个系统的辐射和分立源的辐射),太阳、行星(特别是木星)和月亮的无线电辐射以及星际氢原子的单频无线电辐射等等.宇宙和太阳的无线电辐射发生于稀散的等离子体中(如日冕和电离弥漫气体等等).我们先简述一下等离子体的物理参数.     

WCDA时间标定系统的研制与测试

地面水切伦科夫探测器(Water Cherenkov Detector Array, WCDA)是高海拔宇宙线观测站(Large High Altitude Air Shower Observatory, LHAASO)的重要组成部分,主要科学目标是实现在甚高能中低能段(100 GeV～30 TeV)对整个北天区伽马源进行巡天观测。为了确保对辐射源探测的指向准确性,需要对探测器阵列进行时间标定。主要介绍了水切伦科夫探测器时间标定方法、标定系统的搭建以及关键部件——分光光纤束的批量测试。     

脉冲星钟模型精度分析

毫秒脉冲星具有很高的自转稳定性,利用脉冲星自转极其稳定的特性可以开展许多应用研究,如:脉冲星时间标准的建立、宇宙背景引力波的探测、X射线脉冲星导航应用等等.利用国际脉冲星计时阵(International Pulsar Timing Array,IPTA)中J0437-4715和J1713+0743 2颗源的实测数据开展脉冲星钟模型参数精度分析和脉冲到达时间(Time Of Arrival,TOA)预报精度研究.通过研究得知,目前脉冲星自转频率测量精度为10-15Hz,频率1阶导数测量精度为10~(-23)s~(-2),且自转参数测量精度随观测时间跨度每4–5 yr提高1个量级.另外,利用J0437-4715 10 yr观测数据建立的钟模型,其脉冲到达时间预报偏差4.8 yr之内可保持在1μs之内.因此,利用该脉冲星建立时间标准用于校准原子时,可以使原子时相对于地球时(Terrestrial Time,TT)的偏差在4.8 yr之内小于1μs.     

基于图像的天体搜索研究与自动化集成软件开发

天体搜索是天文数据处理流程的一个重要环节,也是以平方公里阵列射电望远镜(Square Kilometre Array, SKA)为代表的下一代射电望远镜在面向海量数据处理中的挑战之一.现今天体自动搜索算法、软件已日趋成熟并投入应用,不过在自动化、兼容性等方面仍具有提升空间.以更自动化、更适应海量数据需求的天体搜索算法研究为宗旨,以现有算法为研究基础,天体自动搜索软件系统得到设计和开发.该系统包含友好的交互式用户操作界面,具备可视化输出数据显示、兼容不同数据输入和输出并包含为实际应用服务的文件管理功能.该系统对于大天区图以及图像集,均能够很好地进行自动化处理.测试结果显示,上述方法对于天体搜索的改进有一定成效.后续将在此基础上对该集成系统做进一步的改进开发,以适应更多的需求.