北京2020年12月1日 /美通社/ -- 2020-2021 ASC世界大学生超级计算机竞赛 (ASC20-21) 已进入预赛阶段，来自全球各大高校的参赛队伍将在两个月的时间内，完成一项尖端科学的大挑战 -- 脉冲星搜索。他们将从“中国天眼”500米口径球面射电望远镜 (FAST) 真实观测数据中，利用开源软件套件PRESTO搜寻脉冲星的信号数据，并尽可能缩短分析时间。ASC大赛希望通过这道赛题让大学生助力FAST搜索脉冲星，激发他们探索宇宙奥秘的热情。
脉冲星搜索与FAST、超算有何联系？这道题难在哪里？在ASC20-21线上集训营上，赛题专家、中国科学院国家天文台牛佳瑞博士进行了解答。
脉冲星：宇宙时钟
脉冲星是近现代天文学、物理学领域的前沿研究课题。诺贝尔物理学奖曾两度授予脉冲星相关发现，而近两年关于引力波发现、黑洞证实等荣获诺贝尔物理学奖的重大突破，也与脉冲星研究有着直接或间接的关系。脉冲星之所以具备如此高的研究价值，是因为它的极端物理性质是天然的极端物态实验室，科学家通过对脉冲星信号的观测，可以检验引力理论研究致密星的物理。同时，由于脉冲星周期稳定，尤其是毫秒脉冲星，可以媲美“原子钟”，研究它们可以解决许多重大物理问题，例如引力波探测、航天器导航等等。比如，如果科学家们通过高精度的脉冲星计时研究，就可以利用脉冲星建立宇宙级的“GPS”，准确推算航天器在宇宙航行的坐标，这就是所谓的“脉冲星导航”。
脉冲星搜索需要超算和软件
脉冲星搜索是开启脉冲星研究的第一步，目前发现了3000余颗脉冲星，但这仅仅是全部脉冲星的一小部分。脉冲星遥远而致密，我们无法像夜晚看星星那样看到脉冲星，需要借助天文望远镜。而天文望远镜探测脉冲星，本质上是探测脉冲星发出的辐射信号。世界最大单口径、最灵敏的射电望远镜FAST的一大科学目标就是搜寻脉冲星，目前基于FAST的观测数据，天文学家已发现超过240颗脉冲星。
FAST工程
脉冲星搜索非常困难，背后有两大原因。一是在地球和周围的环境中，存在大量的射频干扰，这些干扰比脉冲星信号强得多，如何识别消除它们是脉冲星搜寻的大问题。二是观测数据量庞大，FAST观测脉冲星每秒会产生3GB数据，月数据量达到了PB量级，这样大量的数据既难于处理，又难以储存。为了能够及时分析FAST产生的庞大数据，科学家需要使用性能强大的超级计算机对观测数据进行处理。此外，软件的优化也尤为必要。
脉冲星搜索开源软件PRESTO就是当前科学家们主要使用的核心工具软件之一，它的主要设计目的是从对球状星团的长距离观测中有效地搜索毫秒脉冲星。据统计，在过去的几十年里，利用望远镜发现的3000多颗脉冲星中，有700多颗是借助PRESTO发现的。
PRESTO搜索脉冲星的第一步，是揭开它的面纱，即尽量消除干扰信号。接下来，需要对信号进行消色散，生成时间序列，然后对时间序列进行快速傅里叶变换寻找周期，在数据中搜寻周期性信号，得到脉冲星的侯选体，进行折叠，最后生成侯选体的图。由于科学家们无法提前预知可能包含在数据集中的脉冲星的确切距离、自旋频率和轨道参数，因此对脉冲星的搜索基本上是“盲搜”，需要将搜索参数控制在很大范围内，以最大程度地提高检测概率。这意味着，搜索结果体量巨大，候选体的图片需要进一步筛选。
ASC超算大赛激励大学生探索宇宙奥秘
ASC20-21的PRESTO赛题要求各参赛队伍在功耗3000W约束的超算平台上，运行组委会统一提供的FAST观测数据集，最终准确寻找到脉冲星候选体，并且要对PRESTO运行过程进行分析和优化，尽可能地降低计算时间和所需资源。
牛佳瑞博士表示，PRESTO赛题将是对各参赛队伍从理论到实践的全方位挑战。一方面，PRESTO赛题的比赛数据全部来自真实的天文观测数据，这将让本科生们接触到现实中脉冲星研究的科研数据与软件算法；另一方面，若想在PRESTO赛题中取得好成绩，也必须要深入学习和了解脉冲星搜索的相关知识，这将有助于大学生拓展天文学理论知识，激励他们发挥聪明才智和创新精神，去探索宇宙奥秘。
ASC 世界大学生超级计算机竞赛是由中国发起组织，并得到亚洲及欧美相关专家和机构支持，旨在通过大赛平台推动各国及地区间超算青年人才交流和培养，提升超算应用水平和研发能力，发挥超算的科技驱动力，促进科技与产业创新。ASC超算大赛迄今已举行至第9届，吸引超过近万名世界各国大学生参赛，是全球最大规模的超算竞赛。ASC20-21超算竞赛总决赛将于5月8日-12日在位于中国深圳的南方科技大学举行。
