面向宇宙再电离探测的基本数据处理方法

宇宙再电离时期(epoch of reionization, Eo R)的探测是SKA的重要科学目标之一,也是目前许多SKA探路者阵列的首要科学目标。由于宇宙再电离信号非常微弱,因此在数据处理的过程中存在许多难点,如高精度校准、大视场高动态成像等。对默奇森宽场阵列(Murchison Widefield Array, MWA)、低频阵列(Low Frequency Array, LOFAR)、21CMA阵列(21 Centimeter Array, 21CMA)等SKA低频先导干涉阵列的基本数据处理方法进行了综述,如干扰的识别与去除、数据校准、可视度研究以及成像研究等,并对数据处理时用到的一些常用技术与软件作了相应的介绍与总结。     

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.     

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。     

大质量星系团弥散辐射研究

星系团中的弥散辐射通常以位于中心区域的射电晕或周围区域的射电遗迹形式存在。根据星系团弥散辐射的陡谱特性,通过宽带低频射电波段的观测,能够得到其中射电晕及射电遗迹的频谱特征,从而帮助理解星系团的形成与演化过程。通过分析默奇森宽场阵列(Murchison Widefield Array,MWA)、澳大利亚望远镜阵列(Australia Telescope Compact Array,ATCA)在射电波段对位于红移z=0.098的星系团SPT J2201-5956和位于z=0.232的星系团SPT J2023-5535的观测数据,得到了对应两个星系团的弥散辐射特性。分析结果表明SPT J2201-5956中弥散辐射的谱指数为-1.68_(-0.27)~(+0.27),其来源可能为星系团中的死亡星系;SPT J2023-5535中弥散辐射的谱指数为-1.21_(-0.02)~(+0.02),且其辐射位于星系团的中心区域,因此可以认为该星系团中的弥散源是射电晕候选体。     

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.     

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.     

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。     

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。     

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。     

大样本“变脸”活动星系核多频射电巡天观测结果的统计研究

光学波段的“变脸”AGN (changing-look Active Galactic Nucleus, CL AGN)是光谱类型发生变化AGN的统称.近年来,越来越多观测证据表明这类现象与中央超大质量黑洞吸积活动有关.而黑洞吸积率的变化可能会引起喷流的增强或者减弱,进而导致射电波段观测性质的变化.在已发表的文献中,收集了74个光学波段证认的“变脸”AGN、90个“变脸”AGN的候选体.基于这个目前最大并且选源方式多样化的非完备样本,探讨了“变脸”AGN在射电波段的观测性质.从澳大利亚平方公里阵先导设备(Australian Square Kilometre Array (SKA) Pathfinder, ASKAP)和美国甚大阵甚大阵(Very Large Array, VLA)的4大射电巡天观测中,发现了51个“变脸”AGN (含21个候选体)在0.9–3 GHz存在射电波段的对应体,样本的射电探测率约为41%,与一般AGN的射电探测率无显著区别.此外,分析了这些源的射电谱指数,发现在1.4 GHz和3 GHz频段“变脸”AGN相对于一般射电源有较平的射电谱.该统计结果或可解释为“...     

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。     

奇台低频射电阵列在18～50 MHz首次探测到Ⅱ型射电暴

Ⅱ型射电暴是日冕物质抛射(Coronal Mass Ejections, CME)的最佳示踪器,当日冕物质抛射的速度超过本地阿尔芬速度时,会产生日冕激波或行星际激波,并对地球的磁层产生十分剧烈的影响,在射电波段观测到Ⅱ型射电暴也就意味着观测到了日冕激波,预测激波到达地球的时间,是空间天气预报的重要内容之一。2021年9月28日06:20 UT左右,奇台低频射电阵列(Qitai Low-Frequency Radio Array, Qitai LFRA)首次探测到一次Ⅱ型射电暴爆发事件,频率覆盖范围为18～50 MHz,持续时间10多分钟。由于在极低频(<40 MHz)频段还没有进行过具有有效空间分辨率的观测,未来在这个频段发现未知现象的可能性极大。观测结果表明,奇台低频射电阵列性能良好(增益典型值6 dBi)、灵敏度高(-78 dBm/125 kHz,动态范围72 dB),可以在25周太阳活动峰年发挥独特作用。     

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.     

Aquila Rift区域年轻星候选体的搜寻

使用德国Th(u|¨)ringer Landessternwarte Tautenburg(TLS)的2 m望远镜对Aquila Rift的16个区域进行了Hα、R和I共3个波段的成像观测.这些观测区域大约覆盖了Aquila Rift 7平方度的天区.除去3个数据质量不高的天区,对其余的13个区域进行了测光分析,从中证认出点源,并利用双色图的方法最终证认出7颗Hα发射线星候选体.这7个候选体是从5个观测区域中选出的,其中3颗位于银道面区域,4颗位于银纬高于4°的区域.对于这5个天区,证认了其中点源的2MASS对应体,并利用双色图的方法进一步分析了7个Hα发射线星候选体的性质.这些Hα发射线星候选体的近红外辐射并没有明显的红外超现象,有一颗还落在了主序分支上.这也说明有Hα发射的年轻星并不都伴随有红外超现象.Hα发射线观测和红外超观测的结果是相互补充的.如果将这7颗Hα发射线星候选体作为年轻星候选体,则Aquila Rift区域的年轻星数目是较少的.对于这些候选体的进一步证认还需要后续的光谱观测.     

中国“宋”项目:一个全球自动化观测网络

在技术发展和科学需求的驱动下,天文数据获取的方式发生了巨大的变化.全自动化的观测网络成为地基时域天文观测研究领域的一种趋势.以中国"宋"项目为例,从科学目标、设计和实现等方面,介绍自动化观测网络的构建与实施.SONG(Stellar Observations Network Group)计划是中国天文界参与的一个国际合作的天文学研究计划,以星震学、疏散星团中的变星研究等时域天体物理现象为主要科学目标.项目以全球布站的全自动观测网络为建设目标,每个站点的核心设备包括1台1 m光学望远镜、高精度和高分辨光谱仪与双通道幸运成像系统.中国自主提出在每个站点增设的1台50 cm双筒(双通道)测光望远镜,共享国际SONG计划的网络平台和基础设施.主要针对这一个由多种设备、多站点构成的地基网络,讨论其技术手段和方法的设计与实现.     

极低频射电天文观测现状与未来发展

极低频(40 MHz)是现代天文观测一个十分重要的频段,通过极低频探测可以开展太阳爆发、恒星形成、星系演化、宇宙早期状态等重要研究。但是对于频率低于10~20MHz的信号而言,由于地球电离层的反射或严重失真影响,以及地球上存在低频无线电干扰源,无法对该频率范围内的信号进行探测研究。月亮背面是开展低频射电观测的一个独特的平台,相比于地球来说是一个得天独厚的理想环境。对具有代表性的极低频射电望远镜进行了调研,就极低频天文观测的科学意义、发展现状和相关技术做一个回顾性总结。在可预见的未来几年,我国嫦娥4号搭载的极低频射电频谱仪将是世界上最重要的低频观测设备之一,本文也对该设备进行了初步介绍。     

基于Spark Streaming的明安图射电频谱日像仪实时数据处理

目前天文观测中对数据的实时处理需求越来越多,性能要求也越来越高,我国明安图射电频谱日像仪(Mingant U Sp Ectral Radioheliograph,MUSER)是同时以高时间、高空间和高频率分辨率对太阳进行射电频谱成像的设备。在低频部分的日常观测中,包含了两方面的需求:(1)对历史数据的处理;(2)5秒钟抽样观测数据的处理。抽样观测数据需要实时处理,并在监控终端显示,数据处理过程包含了数据校验、修正、成图、洁化等多个步骤,传统的单机处理模式已无法满足大数据量下的实时性要求。因此,实时数据计算中,使用Spark Streaming流式计算这一新兴的分布式计算方法,设计了自定义的接收器,并将多个图形处理器节点加入到分布式集群中。通过实验对性能进行评估,结果证明基于内存的高速执行引擎的特点能显著提高性能。期待能通过实验进一步优化算法和配置,获得更好的结果,并最终运用到实际环境中。     

相干消色散脉冲星观测系统的研究

云南天文台射电天文研究团组利用从美国伯克利大学CASPER天文信号与电子学研究中心购买的现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array,FPGA)接收机平台ROACH2,实现了512 MHz输入带宽,512 MHz带宽分为128通道输出(每个通道4 M带宽),8比特采样和双极化输入(1 024 MHz)的基带数据采集终端。海量数据传输方式通过SFP+万兆网口实现,利用编写的脚本文件调用DSPSR程序包实现数据的解码、相干消色散、偏振计算和折叠等处理。数据处理结果以PSRFITS格式存储。构建以ROACH2为基带数据采集终端和DSPSR为数据处理核心的脉冲星观测系统,相比于以VLBI观测终端为基础构建的观测系统,在观测模式、数据处理方法、运算效率和观测数据的通用性等方面具有更好的优越性。     

爱好者的良师 天文学家的益友

上世纪90年代以来。大批空间天文观测设备HST、ROSAT、XMM、Chandra、WMAP、Spitzer等发射升空,11架8米以上的地面光学望远镜Keck(2架)、VLT(4架)、Gemini(2架)、Subaru、HET、SALT建成并投入观测,许多更大更先进的设备正在研制或计划中,如ALMA、SKA、Herschel、JWST、TMT、