“数字化脉冲星终端，是开展脉冲星时间尺度研究的核心。”记者昨日从位于西安的中國科學院国家授时中心获悉，该中心罗近涛研究员团队在数字化脉冲星终端研制方面取得进展。

　　羅近濤說，宇宙中的脈沖星十分遙遠，在地球上接收到的脈沖星信號十分微弱，需要使用大口徑射電望遠鏡配置高性能脈沖星終端進行接收。脈沖星的信號在到達地球的過程中受星際介質影響會出現色散效應，使得脈沖星輪廓展寬進而影響觀測效果。與非相幹消色散模式相比，相幹消色散可以徹底地消除色散效應，從而更真實地還原脈沖星的輪廓。

　　■記者 張潇 實習生 郭賦

　　脈沖星

　　宇宙中的燈塔 天然的高精度時鍾

　　那麽，究竟什麽是脈沖星？脈沖星信號的色散效應又是怎麽回事呢？北京大學科維理天文與天體物理研究所研究員李柯伽說，脈沖星好似宇宙中的燈塔，發出的周期輻射不時地閃過人們的視線；脈沖星還是宇宙中天然的高精度時鍾，每億年誤差只有1秒。不僅如此，利用脈沖星，天文學家在上世紀70年代初次間接地探測到了引力波，並于1993年獲得與脈沖星相關的第二次諾貝爾物理學獎。

　　與脈沖星相關的第一次諾貝爾物理學獎，是脈沖星的發現，這一切都源自一個女研究生的細心。上世紀60年代Jocelyn Bell在讀研究生時，使用導師建造的天線陣列進行觀測。在長長的紙帶記錄數據中，她發現了一些奇特的信號——每天同一恒星時，這個陣列都會從天上的同一個位置接收到一些看似像幹擾的無線電信號。要是假設這個信號不來自于地球，而是來源于遠方的天體，那麽整個事情似乎要更合理一些。這些信號是間隔1.33秒的、非常有規律的脈沖信號。如果這個脈沖信號是來源于太陽系之外的，那麽由于地球圍繞太陽公轉，望遠鏡相對信號源的速度就會以一年爲周期而變化。經過幾個月的數據積累，科學家發現，信號周期在小數點後第7位上發生了改變，並且測量到的改變量與地球圍繞太陽運動引起的多普勒效應之預言完全一致。信號的來源至此確定爲太陽系之外。就這樣，人類曆史上第一次發現了脈沖星這一奇特的天體，很快脈沖星被證認爲理論預言中的中子星。

　　當白色的光穿過玻璃棱鏡的時候，就會被分解成不同顔色的光，這被稱作色散效應。這個效應起源于不同頻率的光和玻璃（介質）中電子的相互作用。類似的，銀河系裏也充滿了大量自在的電子，無線電波在這些“星際介質”中傳播時，也會發生色散，而不同頻率的無線電脈沖信號到達地球的時間也會有差異。上世紀60年代，人們對銀河系中的電子密度已經有了大概的了解。Hewish和Bell兩位科學家測量了不同頻率的脈沖到達地球的時間差，然後再結合銀河系電子密度的信息即能推測出新發現天體的距離。基于這一方法，科學家確定新發現的脈沖星是位于銀河系之內。

　　自主研發

　　系統更精准 接近國際先進水平

　　羅近濤團隊采用自主研發的相幹消色散數字終端，利用國家授時中心洛南昊平站40米口徑射電望遠鏡，獲得毫秒脈沖星B1937+21輪廓的精細結構。爲什麽要觀測B1937+21？這一顆脈沖星有什麽特別之處呢？這顆脈沖星自轉周期約爲1.6毫秒，在很多年裏一直是脈沖星裏面的自轉速度冠軍，色散效應在這顆脈沖星身上的影響特別明顯，它的主峰上有一個精細結構，這個精細結構只有使用相幹消色散才能觀測到，在非相幹消色散模式下是觀測不到的。所以，對于科學家來說，這顆脈沖星是測試相幹消色散技術的理想對象。

　　那麽，射電望遠鏡如何去獲得脈沖星時間的“讀數”呢？這種技術在天文學上叫做脈沖星測時觀測。據李柯伽介紹，它包括幾個步驟：首先，人們用無線電望遠鏡接收脈沖星的無線電信號。爲了消除色散的影響，科學家需要重新對齊不同頻率的脈沖信號到達地球的時間。對于較亮的脈沖星，這個時候就能看到脈沖了。然而大部分脈沖星的信號實在是太弱了，即便消除了色散的影響，大部分情況下，脈沖信號還是不可見的。接下來讓脈沖信號變得明顯起來的辦法叫做“周期折疊”，即按照脈沖的周期把數據分段，然後再把每段數據疊加起來。這樣由于將有脈沖的地方相疊加，脈沖信號就能變得明顯起來。

　　但是，僅僅獲得脈沖到達地球的時間還不足以用來提取科學家需要的物理信息。地球在自轉，所以不同時刻望遠鏡朝向天空的位置是不一樣的。爲了扣除地球的自轉效應，科學家先要計算出望遠鏡到地球中心的距離，把觀測到的脈沖信號到達望遠鏡的時間歸算到脈沖信號到達地心的時間。類似的，地球還在圍繞太陽作公轉。因而還需要進一步計算地球相對太陽系質心的位置（太陽系質心是太陽系所有天體按照質量加權以後算出來的太陽系的“中心”），再把脈沖的達到時間歸算到太陽系質心。最後，在知道脈沖星相對太陽系的運動之後，科學家還要進一步把太陽系質心時間折算到相對脈沖星平動的參考者那裏（即相對脈沖星速度不變的觀測者）。這樣的脈沖到達時間就能表征脈沖星真實自轉信息了。

　　脈沖星自转相当稳定。对于脉冲星计时来说，大天线是保证观测效果的基础，高性能的脉冲星终端是核心。在两种相干消色散模式中，相干消色散可以更彻底地消除色散，但是算法复杂、计算量大，开发难度也大。罗近涛表示，国家授时中心的相干消色散数字终端采用FPGA+GPU结构，8节点的高性能GPU服务器集群，能够对海量数据进行实时高性能处理。在相干消色散模式下，工作带宽800MHz、通道数1024，具有良好的计时观测特性。此外，在实验室测试中带宽可达到1.6GHz。后续研制工作中，该研发团队将进一步提升终端的工作带宽、通道数，开展更高带宽的观测。更宽的带宽，可以提高脉冲星观测的信噪比，从而提高观测的效果，目前国际上使用中的脉冲星相干消色散终端的工作带宽一般在800MHz左右，我国从美国引进的脉冲星终端中相干消色散观测模式的带宽在1.5GHz左右。中科院国家授时中心终端在实验室实现的1.6GHz的相干消色散带宽，这一指标接近国际先进水平。

　　脈沖星能做什么？

　　建立時間-空間標准 測量引力波

　　脈沖星会发出非常准确的周期性脉冲信号，科学家能够利用望远镜来读出脉冲到达地球的时间；测时残差（即脉冲星到达时间的模型和测量的区别）包含了丰富的物理信息。

　　中科院國家授時中心目前産生和保持的時間，是從1972年1月1日開始通行的國際協調時（UTC），它是用原子鍾定義的時間加上地球自轉觀測修正構成的。在應用國際協調時的時候，因爲每個原子鍾的數據無法實時進行彙總，人們並不能實時地獲得加權時間。精確時間測量仍然需要進行事後改正。脈沖星自轉穩定，是宇宙中最穩定的天然鍾，脈沖星鍾的長期穩定性與原子鍾相當甚至優于原子時，對多顆脈沖星觀測就是另外一種精確時間測量的辦法。

　　除了時間標准，科學家還能夠利用脈沖星建立空間框架，適合深空探測。此外，脈沖星測時陣列還能夠直接探測引力波。這裏脈沖星被當成了標准的脈沖信號發生器來使用，其發出的脈沖信號穿過銀河系的距離來到地球。如果宇宙背景中存在引力波，就會改變銀河系的時空結構，從而改變信號的到達時間。廣義相對論預言，引力波是時空的漣漪，而且是“橫波模式”。這種時空的拉伸和壓縮會導致在相應方向上“距離”的改變，從而使得脈沖到達地球的時間提早或者延遲。2017年美國激光幹涉引力波天文台（LIGO）探測到的是高頻引力波事件，而脈沖星計時在探測低頻引力波方面比LIGO要靈敏得多。

　　新成果

　　推動脈沖星研究跨上新台階

　　目前，我國現已建成了世界上最大的500米單口徑望遠鏡FAST，新疆在建世界最大的全可動高頻110米口徑望遠鏡QTT（奇台望遠鏡），還有可能建造世界最大的幹涉陣列ChinaART。這些望遠鏡由于具有很大的接收面積，可以有效提高脈沖星測時的精度。可以預計，如果這些望遠鏡能夠及早完成調試並投入使用，則脈沖星測時陣列探測引力波的領域將有严重的突破。

　　中國科學院国家授时中心是我国的国立时频研究机构，是我国独一一家专业、全面从事时间频率科學研究的机构。国家授时中心在秦岭山区建有40米口径射电望远镜一台，基于该射电望远镜正在开展脉冲星时间尺度的研究，已经对多颗高精度毫秒脉冲星进行了长期的计时观测。此次国家授时中心数字脉冲星终端的相干消色散模式的实现，无疑将进一步推动国家授时中心脉冲星时间尺度的研究，推动陕西的脉冲星研究走上新台阶。

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