Intelligentes Computing beschleunigt die Suche, China Sky Eye FAST findet den bisher längsten Pulsar in Kugelsternhaufen

Wir wissen, dass Kugelsternhaufen eine Art Himmelssystem sind, das durch die Schwerkraft gebunden ist. Es handelt sich um uralte Sternhaufen, die aus Zehntausenden bis Millionen von Sternen bestehen, aber sie können auch durch den Einfluss der Schwerkraft beeinflusst werden anderer Himmelssysteme weicht von der Kugelform ab. Der dynamische Entwicklungsprozess von Kugelsternhaufen und der Syntheseweg von Sternpopulationen sind aktuelle Forschungsthemen in der aktuellen Literatur.

Nach Jahrzehnten der Evolution ist die Zahl der Sterne in Kugelsternhaufen immer weiter auf wenige dichte Sterne geschrumpft, und Pulsare sind einer davon. Durch das Verständnis der Verteilung und Eigenschaften von Pulsaren in Kugelsternhaufen können wir ein tiefgreifendes Verständnis der Dichteverteilung, Massenverteilung und Wechselwirkungen mit anderen Himmelskörpern innerhalb von Kugelsternhaufen erlangen und dann wichtige Informationen wie den dynamischen Entwicklungsprozess von erhalten Kugelsternhaufen und die Synthesewege von Sternpopulationen.

Astronomischen Beobachtungen zufolge wird festgestellt, dass Pulsare periodisch elektromagnetische Wellensignale nach außen aussenden, was ein Beweis für ihre Existenz im riesigen Universum ist. Bisher wurden mehr als 3.000 Pulsare entdeckt, die nach ihrer Rotation hauptsächlich in zwei Kategorien eingeteilt werden: normale Pulsare und Millisekundenpulsare. Derzeit sind mehr als 500 Millisekundenpulsare bekannt, was etwa 15 % der bekannten Pulsare ausmacht. Die Rotationsperiode eines normalen Pulsars beträgt etwa 0,1 Sekunden bis einige Sekunden, während die Rotationsperiode eines Millisekundenpulsars weniger als 30 Millisekunden beträgt.

Millisekundenpulsare haben eine andere Entstehungsgeschichte als normale Pulsare: Normale Pulsare sind normalerweise relativ jung, weniger als ein paar Millionen Jahre alt, während Millisekundenpulsare relativ alt sind und durch die Ansammlung von Masse in einem engen Doppelsternsystem Drehimpuls gewinnen, der die Rotationsperiode erreicht in der Größenordnung von Millisekunden. Die aktuelle Beobachtungstatsache ist, dass sich mehr als zwei Drittel der bekannten Millisekundenpulsare in Doppelsternsystemen befinden. Kugelsternhaufen weisen eine höhere Sterndichte und eine höhere Doppelsternbildungsrate auf. Die meisten dieser Kugelsternhaufen sind Millisekundenpulsare mit Rotationsperioden im Bereich von mehreren zehn Millisekunden von Millisekunden. Astronomische Forscher sind neugierig: Gibt es eine andere Art von Pulsaren mit einer längeren Periode, die in Kugelsternhaufen existiert?

Langperiodische Pulsare finden

Nach Milliarden von Jahren der Evolution sollten Pulsare immer langsamer rotieren, das heißt, die Rotationsperiode wird immer länger. Warum sind die meisten Millisekundenpulsare, nach denen wir suchen?

„Da Kugelsternhaufen sehr dicht sind, kann ein Pulsar in einer Hypothese leicht einen Begleitstern einfangen und Materie vom Begleitstern ansammeln. Diese Materie ist wie eine Peitsche, die einen Kreisel peitscht, wodurch der Stern wieder beschleunigt wird.“ Rotation eines Pulsars“, erklärte Dr. Zhou Dengke vom Astronomical Computing Research Center des Jiang Laboratory.

Theoretisch gibt es jedoch viele Möglichkeiten, langperiodische Pulsare zu bilden. Eine Situation besteht darin, dass es möglich ist, einen langperiodischen Pulsar zu bilden, wenn die Akkretion zweier Pulsare durch einen dritten Himmelskörper unterbrochen wird und die Akkretion unterbrochen wird. Ein anderes Szenario ist, dass Weiße Zwerge nach dem Zusammenbruch alter Sterne entstehen und die Weißen Zwerge zu periodischen Pulsaren verschmelzen.

Was ist also der Grund, warum es uns nicht gelingt, mehr langperiodische Pulsare zu finden? Dies liegt daran, dass die meisten langperiodischen Pulsare ein niedriges Signal-Rausch-Verhältnis aufweisen und anfällig für Störungen durch rotes Rauschen sind, die durch Langzeitbeobachtungen mit astronomischen Teleskopen verursacht werden. Daher ist die Erkennung langperiodischer Pulsare äußerst anspruchsvoll.

Als Reaktion auf die schwierigen Probleme bei der Langzeitpulsarerkennung haben Zhou Dengke, der assoziierte Forscher Wang Pei vom Nationalen Astronomischen Observatorium der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, der Forscher Li Ru und andere nutzten einen neuen Suchmethodenplan und fanden erfolgreich langperiodische Pulsare in Kugelsternhaufen.

「Zuerst haben wir durch Simulation und quantitative Analyse systematisch den Einfluss des roten Rauschens auf die Empfindlichkeit der Suche nach Pulsaren über einen langen Zeitraum bewertet. Auf dieser Grundlage haben wir die Simulationsergebnisse verwendet, um geeignete Parameter sorgfältig auszuwählen und so das rote Rauschen effektiv zu entfernen in den Daten. Darüber hinaus wurde der Fast-Folding-Algorithmus (FFA) verwendet, um eine detaillierte und eingehende Suche in den von China Sky Eye beobachteten öffentlichen Daten zu mehreren Kugelsternhaufen durchzuführen.

Schließlich entdeckte das Forschungsteamzwei langperiodische Pulsare mit Rotationsperioden von 1,9 Sekunden und 3,9 Sekunden im Kugelsternhaufen M15 mit den Namen M15K bzw. M15L. M15L ist außerdem der Pulsar mit der längsten Rotationsperiode unter den bisher entdeckten Kugelsternhaufen.

^{Abbildung 1 Zwei neu entdeckte langperiodische Pulsare im Kugelsternhaufen M15. Links ist das Pulsprofil und Phasen-Zeit-Wasserfalldiagramm der beiden Pulsare zu sehen, rechts ein schematisches Diagramm der Positionen der beiden Pulsare in M15. Quelle: Zhou et al., 2024, Sci China-Phys., 67, 269512.}

Li Li, korrespondierender Autor der Arbeit und Chefwissenschaftler von FAST, sagte: „Diese Entdeckung offenbart einen neuen Entwicklungspfad für Kugelsternhaufen-Pulsare. FAST verändert systematisch unser Verständnis von Kugelsternhaufen-Pulsaren.“

Diese bahnbrechende Entdeckung wurde am 18. April als Titelartikel in der bekannten Fachzeitschrift „SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy“ veröffentlicht.

arXiv-Adresse: https://arxiv.org/pdf/2312.05868

Das Forschungsteam analysierte außerdem die physikalischen Eigenschaften der beiden Pulsare weiter und stellte fest, dass auch ihre Magnetfelder relativ stark sind. „Pulsare könnten ihre Magnetfelder während des Akkretionsprozesses schwächen, und ihre starken Magnetfelder deuten außerdem darauf hin, dass sie nur einen kurzen binären Akkretionsprozess erlebt haben, sagte Zhou Dengke, der Erstautor der Arbeit.“

Mit diesem Suchplan entdeckte das Forschungsteam weiterhin 13 langperiodische Pulsare. Diese Erkenntnisse vervollständigen das fehlende Glied bei der Suche nach langperiodischen Pulsaren in Kugelsternhaufen und sind von großer Bedeutung für das Verständnis der Klassifizierung von Pulsaren in Kugelsternhaufen und der Entwicklung von Sternpopulationen.

Mining-Muster aus Daten

In dieser Studie verarbeitete das Team etwa 90 Stunden China Sky Eye FAST-Beobachtungsdaten von 2019 bis 2022, insgesamt etwa 50 TB.

Von diesen ursprünglichen Beobachtungsdaten bis zur endgültigen Identifizierung des Pulsars müssen wir mehrere Schritte durchlaufen, wie z. B. achromatische Dispersion, Parametereinstellung, Interferenzbeseitigung, Entfernung von rotem Rauschen, Periodensuche, Kandidaten-Screening, Kreuzvalidierung, Zeitanalyse, usw., was viel Datenverarbeitungsaufwand und den Verbrauch von Rechenressourcen mit sich bringt. In diesem Artikel wird ein Flussdiagramm zur Suche nach Langzeitpulssternen in der Gruppe der kugelförmigen Sterne verwendet.

Der erste ist der

Dispersionsprozess

. Während des Ausbreitungsprozesses wird das Pulsarsignal aufgrund des Einflusses des interstellaren Mediums gestreut, sodass das Hochfrequenzsignal vor dem Niederfrequenzsignal die Erde erreicht, um Signale unterschiedlicher Frequenz zu überlagern und ein Pulssignal zu erhalten Bei einem hohen Signal-Rausch-Verhältnis muss die Datenverarbeitung zunächst Dispersionsarbeiten durchführen.

Der in M15 entdeckte Langzeitpulsar.

Links ist der langperiodische Pulsar M15K mit einer Periode von etwa 1,928 Sekunden und rechts ist ein langperiodischer Pulsar M15L mit einer Periode von etwa 3,961 Sekunden und einem DM von etwa 66,1 pc·cm ^−3. In jeder Unterfigur sind von oben nach unten das Frequenz-Phasen-Diagramm mit/ohne achromatischer Dispersion, die Pulskurve und das Zeitphasendiagramm dargestellt.

^„Das astronomische Computerteam des Zhijiang-Labors hat die achromatische Software optimiert, was die Datenverarbeitungseffizienz um ein Vielfaches erhöht hat. “, sagte Zhou Dengke. ^{Achromatische Dispersion ist nur der erste Schritt. Zeitaufwändiger und arbeitsintensiver ist der anschließende} Kandidaten-Screening-Prozess.

Nachdem die Parameterschätzung und Faltungsalgorithmen durchsucht wurden, müssen sich die Forscher auf das bloße Auge verlassen, um festzustellen, ob die Ergebnisbilder mit den Signaleigenschaften von Pulsaren übereinstimmen.速 Das Team nutzte systematisch den schnellen Faltungsberechnungsalgorithmus, um eine zyklische Suche nach den in Tabelle 1 aufgeführten kugelförmigen Sterngruppendaten durchzuführen, und fand schließlich zwei langzyklisch pulsierende Sterne M15K und M15L.

„Eine Stunde Beobachtung kann Zehntausende Kandidatenbilder hervorbringen. Es ist sehr schwierig, sehr schwache Signale aus so vielen Bildern zu unterscheiden.“ Durch den Einsatz der vom Astronomical Computing Research Center selbst entwickelten KI-Methode für visuelle Modelle können Kandidateninformationen effizient überprüft und die Anzahl der Kandidaten, die manuelle Eingriffe erfordern, um drei Größenordnungen reduziert werden.

„Heutzutage ist die Datenmenge im Bereich der Astronomie riesig und die Verarbeitung sehr zeitaufwändig. Der Einsatz intelligenter Computertechnologien wie KI-Algorithmen zur Unterstützung bei der Verarbeitung dieser Daten kann uns von der umfangreichen Datenanalyse befreien und uns mehr widmen.“ „Die Energie, die Bedeutung der Daten in physischen Bildern zu verstehen, verbessert die Effizienz der wissenschaftlichen Forschung erheblich“, sagte Zhou Dengke.

                                                                             

Intelligentes Rechnen ist zu einem unverzichtbaren Werkzeug in Zhou Dengkes wissenschaftlicher Forschungsarbeit geworden. Im nächsten Forschungsschritt plant er, den binären Doppler-Effekt zu korrigieren und anschließend nach langperiodischen Pulsaren in Kugelsternhaufen zu suchen, um die Vollständigkeit der Suche zu verbessern. Und indem das KI-Modell darauf trainiert wird, Bilder mit Doppler-Effekt-Phasenverschiebung zu identifizieren, wird die Berechnungsgeschwindigkeit erhöht und der gesamte Suchprozess beschleunigt.

„Die Aufgabe von Astronomen besteht darin, anhand der Analyse astronomischer Beobachtungsdaten zu versuchen, die Grundgesetze der Natur zu entdecken oder zu überprüfen. In einer Zeit ohne moderne Computerwerkzeuge konnten Astronomen, vertreten durch Kepler, aus einer großen Menge astronomischer Beobachtungsdaten eine Zusammenfassung erstellen Verwenden Sie jetzt große Rechencluster und intelligente Rechenmethoden, um die Effizienz der wissenschaftlichen Forschung erheblich zu verbessern. Diese neue Entdeckung kann beispielsweise dazu beitragen, die mehrspurige Entwicklungsgeschichte von Sternpopulationen zu verstehen „Wir hoffen, mithilfe großer Computercluster und intelligenter Computertechnologie grundlegendere Naturgesetze aus den Daten zu entdecken“, sagte Zhou Dengke.

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