我們知道，球狀星團(tuán)是一種受引力束縛，成員由幾萬顆到數(shù)百萬顆恒星組成的古老星團(tuán)，在外觀上大多呈球形，但也有可能受其他天體系統(tǒng)的引力影響使得形狀偏離球形。球狀星團(tuán)的動(dòng)力學(xué)演化過程，星族合成路徑等是當(dāng)今天文學(xué)界的研究熱點(diǎn)。

球狀星團(tuán)中的恒星經(jīng)過數(shù)十億年的演化，會(huì)坍縮成一些致密星，脈沖星是其中之一。通過了解球狀星團(tuán)中脈沖星的分布和性質(zhì)，我們可以深入了解球狀星團(tuán)內(nèi)部的密度分布、質(zhì)量分布以及與其他天體的相互作用，進(jìn)而獲取球狀星團(tuán)的動(dòng)力學(xué)演化過程，星族合成路徑等。

天文觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，脈沖星會(huì)周期性地向外輻射電磁波信號(hào)，這是它們?cè)诿ＣＳ钪嬷写嬖诘淖C據(jù)。目前已發(fā)現(xiàn)3000多顆脈沖星，按自轉(zhuǎn)主要分為正常脈沖星和毫秒脈沖星等兩大類，目前已知的毫秒脈沖星約有500多顆，約占已知脈沖星的15%。正常脈沖星的自轉(zhuǎn)周期大概在0.1秒到幾秒左右，而毫秒脈沖星的自轉(zhuǎn)周期在30毫秒以下。

毫秒脈沖星與正常脈沖星形成歷史不同：正常脈沖星通常相對(duì)年輕，年齡不到幾百萬年，而毫秒脈沖星相對(duì)年老，它在密近雙星系統(tǒng)中通過吸積質(zhì)量獲得角動(dòng)量使自轉(zhuǎn)周期達(dá)到毫秒量級(jí)。目前的觀測(cè)事實(shí)是，超過三分之二的已知毫秒脈沖星在雙星系統(tǒng)中。球狀星團(tuán)中恒星密度較高，具有較高的雙星形成率，41個(gè)球狀星團(tuán)中已發(fā)現(xiàn)317顆脈沖星，這些脈沖星大多是自轉(zhuǎn)周期在數(shù)十毫秒范圍內(nèi)的毫秒脈沖星，其中179顆處于雙星系統(tǒng)。天文研究者們好奇，是否有另外一類周期更長(zhǎng)的脈沖星存在于球狀星團(tuán)中？

尋獲長(zhǎng)周期脈沖星

經(jīng)過數(shù)十億年的演化，脈沖星理應(yīng)越轉(zhuǎn)越慢，也就是轉(zhuǎn)動(dòng)周期越來越長(zhǎng)，為何我們搜索到的大都是毫秒脈沖星？

「一個(gè)猜想是，由于球狀星團(tuán)密度非常大，一顆脈沖星很容易捕獲到一顆伴星，并從這顆伴星中吸積物質(zhì)。這些物質(zhì)就像抽打陀螺的鞭子，會(huì)再次加速這顆脈沖星的轉(zhuǎn)動(dòng)。」之江實(shí)驗(yàn)室天文計(jì)算研究中心周登科博士解釋說。

但理論上，長(zhǎng)周期脈沖星有著多種可能的形成方式。一種情況是，當(dāng)兩顆脈沖星在吸積時(shí)被一個(gè)第三方天體打斷，吸積中止，那么就有可能形成一顆長(zhǎng)周期脈沖星。另一種情況是，老年恒星坍縮之后形成白矮星，白矮星合并形成長(zhǎng)周期脈沖星。

那么，是什么導(dǎo)致我們未能尋獲更多長(zhǎng)周期脈沖星？這是因?yàn)殚L(zhǎng)周期脈沖星的信噪比大多都不高，且易受天文望遠(yuǎn)鏡長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)形成的紅噪聲干擾，因此長(zhǎng)周期脈沖星的探測(cè)極具挑戰(zhàn)性。

針對(duì)長(zhǎng)周期脈沖星探測(cè)存在的難點(diǎn)問題，在過去一年多時(shí)間的研究工作中，周登科、中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)副研究員王培、研究員李菂等人使用了一種新的搜索方案，并成功在球狀星團(tuán)中尋獲了長(zhǎng)周期脈沖星。

「首先，通過模擬和量化分析，我們系統(tǒng)地評(píng)估了紅噪聲對(duì)長(zhǎng)周期脈沖星搜索靈敏度的影響。在此基礎(chǔ)上，利用模擬結(jié)果精心選擇了適當(dāng)參數(shù)，從而有效去除了數(shù)據(jù)中的紅噪聲干擾。進(jìn)一步，運(yùn)用快速折疊算法（fast folding algorithm，F(xiàn)FA），對(duì)中國(guó)天眼FAST觀測(cè)的多個(gè)球狀星團(tuán)巡天公開數(shù)據(jù)進(jìn)行了詳盡深入的搜索?！怪艿强平榻B道。

最終，研究團(tuán)隊(duì)在球狀星團(tuán)M15中發(fā)現(xiàn)了自轉(zhuǎn)周期分別為1.9秒和3.9秒的兩顆長(zhǎng)周期脈沖星，分別命名為M15K和M15L。M15L也是目前發(fā)現(xiàn)的球狀星團(tuán)中自轉(zhuǎn)周期最長(zhǎng)的脈沖星。

圖 1 球狀星團(tuán)M15中新發(fā)現(xiàn)的兩顆長(zhǎng)周期脈沖星。左側(cè)是這兩顆脈沖星的脈沖輪廓及相位 - 時(shí)間瀑布圖，右側(cè)是這兩顆脈沖星在 M15 中的位置示意圖。來源：Zhou et al., 2024, Sci. China-Phys. Mech. Astron., 67, 269512。

論文通訊作者、FAST首席科學(xué)家李菂表示：「這一發(fā)現(xiàn)揭示了球狀星團(tuán)脈沖星的一種新的演化路徑。FAS正在系統(tǒng)性地改變我們對(duì)于球狀星團(tuán)脈沖星的認(rèn)識(shí)。」

這一突破性發(fā)現(xiàn)于4月18日作為封面文章發(fā)表于知名學(xué)術(shù)期刊《中國(guó)科學(xué)：物理學(xué) 力學(xué) 天文學(xué)》 （SCIENCE CHINA Physics,Mechanics & Astronomy）上。

arXiv地址：https://arxiv.org/pdf/2312.05868

研究團(tuán)隊(duì)還進(jìn)一步分析了這兩顆脈沖星的物理性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)它們的磁場(chǎng)也比較強(qiáng)?！该}沖星在吸積過程中可能會(huì)弱化其磁場(chǎng)，它們的強(qiáng)磁場(chǎng)也進(jìn)一步表明它們僅經(jīng)歷了短暫的雙星吸積過程?！拐撐牡谝蛔髡咧艿强票硎尽?/p>

運(yùn)用這樣的搜索方案，研究團(tuán)隊(duì)又繼續(xù)挖掘到了1顆長(zhǎng)周期脈沖星。這些發(fā)現(xiàn)補(bǔ)全了球狀星團(tuán)長(zhǎng)周期脈沖星搜索的缺失環(huán)節(jié)，對(duì)于理解球狀星團(tuán)中脈沖星的分類以及星族演化具有重要意義。

從數(shù)據(jù)中挖掘規(guī)律

在此次研究中，團(tuán)隊(duì)處理了中國(guó)天眼FAST從2019年到2022年約90小時(shí)、總計(jì)約50TB的觀測(cè)數(shù)據(jù)。

從這些原始觀測(cè)數(shù)據(jù)到最終證認(rèn)出脈沖星，要經(jīng)歷消色散、參數(shù)設(shè)定、消干擾、去紅噪聲、周期搜索、候選體篩選、交叉驗(yàn)證、計(jì)時(shí)分析等若干步驟，涉及到大量數(shù)據(jù)處理工作以及對(duì)計(jì)算資源的消耗。

本文采用的在球狀星團(tuán)中尋找長(zhǎng)周期脈沖星的流程圖

首先是消色散環(huán)節(jié)。脈沖星信號(hào)在傳播過程中由于受到星際介質(zhì)的影響會(huì)發(fā)生色散，導(dǎo)致高頻信號(hào)比低頻信號(hào)先到達(dá)地球，為了將不同頻率的信號(hào)疊加得到高信噪比的脈沖信號(hào)，在數(shù)據(jù)處理中首先需要進(jìn)行消色散工作。

在M15中發(fā)現(xiàn)的長(zhǎng)周期脈沖星。左為長(zhǎng)周期脈沖星M15K，周期約為1.928秒，DM約為66.5 pc·cm^?3；右為長(zhǎng)周期脈沖星M15L，周期約為3.961秒，DM約為66.1 pc·cm^?3。在每個(gè)子圖中，從上到下為有/無消色散的頻率與相位圖，脈沖曲線和時(shí)間相位圖。

「之江實(shí)驗(yàn)室天文計(jì)算團(tuán)隊(duì)對(duì)消色散軟件進(jìn)行了優(yōu)化，使得數(shù)據(jù)處理效率提升了數(shù)倍?！怪艿强票硎尽?/p>

消色散只是第一步，更耗時(shí)耗力的是后續(xù)的候選體篩選環(huán)節(jié)。

在經(jīng)過參數(shù)估計(jì)、折疊算法進(jìn)行搜索之后，會(huì)得到大量的候選體結(jié)果圖，研究人員要靠肉眼識(shí)別結(jié)果圖是否符合脈沖星的信號(hào)特征。

團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)地使用快速折疊算法對(duì)表1所列的球狀星團(tuán)數(shù)據(jù)進(jìn)行周期性搜索，最終發(fā)現(xiàn)了兩顆長(zhǎng)周期脈沖星 M15K 和 M15L。

「一個(gè)小時(shí)的觀測(cè)可能就會(huì)有數(shù)萬張候選體圖片，要從這么多圖片中分辨出非常微弱的信號(hào)，是非常難的事情?！怪艿强普f道。而利用天文計(jì)算研究中心自研的AI視覺模型方法，能夠?qū)蜻x體信息進(jìn)行高效篩選，可將需要人工介入篩選的候選體數(shù)量降低三個(gè)數(shù)量級(jí)。

「現(xiàn)今天文領(lǐng)域數(shù)據(jù)量巨大，處理起來非常耗時(shí)。利用AI算法等智能計(jì)算技術(shù)輔助處理這些數(shù)據(jù)，可以讓我們從繁重的數(shù)據(jù)分析中解放出來，將更多精力投入到理解數(shù)據(jù)背后的物理圖像中，大大提高科研效率?！怪艿强票硎尽?/p>

周登科

智能計(jì)算已經(jīng)成為周登科科研工作中必不可少的工具，在下一步的研究中，他計(jì)劃修正雙星多普勒效應(yīng)后再搜索球狀星團(tuán)中的長(zhǎng)周期脈沖星，以提升搜索的完備性，并通過訓(xùn)練甄別多普勒效應(yīng)相位漂移圖像的AI模型，提升計(jì)算速度，加速整個(gè)搜索過程。

「天文學(xué)家的工作就是試圖從天文觀測(cè)數(shù)據(jù)分析中發(fā)現(xiàn)或驗(yàn)證自然的基本規(guī)律。在沒有現(xiàn)代計(jì)算工具的時(shí)代，以開普勒為代表的天文學(xué)家便從大量的天文觀測(cè)數(shù)據(jù)中總結(jié)出了行星運(yùn)動(dòng)規(guī)律。我們現(xiàn)在可以利用大型計(jì)算集群與智能計(jì)算方法，科研效率大大提升。例如，此次的新發(fā)現(xiàn)帶來獨(dú)特的樣本，可以幫助理解星族多路徑演化歷史。還可以利用多顆脈沖星的參數(shù)約束相關(guān)球狀星團(tuán)中心天體引力勢(shì)和質(zhì)量。我們希望能像開普勒一樣，利用大型計(jì)算集群與智能計(jì)算技術(shù)從數(shù)據(jù)中發(fā)掘更基本的自然規(guī)律。」 周登科說道。