中国科学院上海天文台SKA射电宇宙学团组在平方公里阵列望远镜天文台(SKAO)近期举办的国际数据竞赛(SDC3a)中取得佳绩。本次竞赛于2023年3月开始,至10月结束,吸引了全球共计27支团队300多位科学家参与。竞赛针对SKA低频干涉阵列(SKA1-LOW)建成后在低频射电波段的观测,要求参赛队伍从官方给出的仿真数据中提取再电离时期(EoR)信号功率谱。在此次竞赛中,上海天文台SKA射电宇宙学团组召集组织了来自中山大学,上海天文台和西安电子科技大学的三支队伍提交了结果,分别荣获第1、第4和第13名(图1)。
图1:SKA SDC3报名队伍分布(上图)和成绩排行榜(下图)。上海天文台SKA射电宇宙学团组牵头的参赛团队提交的3组结果位列成绩排行榜中第1(HIMALAYA)、第4(ERWA)和第13(HAUSOS)。
宇宙黎明和再电离时期是宇宙演化早期的关键阶段,从宇宙大爆炸后约3亿年持续到约10亿年。第一代恒星和星系在此时期形成,它们发射出的紫外线和X射线辐射逐渐电离了周围的中性氢气体。研究这一时期对于理解宇宙早期条件、恒星和星系的形成过程至关重要,这些研究有助于我们构建宇宙演化的全景图。
探测EoR信号是天文学上一项重大挑战,主要原因在于需要克服强烈的前景信号干扰、复杂的干涉阵仪器效应和观测效应。这些挑战不仅需要精密的观测技术,还需要高级的数据处理方法。天文学家面临的第一个主要难题是强烈的前景信号干扰。银河系和外星系的前景信号的平均幅度比预期的EoR信号大约高出四到五个数量级。这意味着,要从这些强大的前景信号中提取出微弱的EoR信号,需要精确的前景分离技术。此外,观测中的干扰包括电离层的影响、射频干扰(RFI)以及仪器本身的效应。这些因素都可能对信号造成扭曲或损失。当前的观测设备进行实际测量得到的各类噪声和系统误差,要比理论预计的EoR信号强度高出几倍甚至1-2个数量级。
为了在这场高水平的竞赛中脱颖而出,上海天文台SKA射电宇宙学团组进行了深入的准备,团组成员针对性地构建与SKA低频阵列相近的仿真数据集,旨在确保能够准确模拟前景、EoR信号以及相关仪器效应(图2左)。通过这些仿真数据集,SKA射电宇宙学团组及其合作团队得以深入了解数据特性,提前识别和解决在数据分析中可能遇到的挑战,为竞赛取得优势并最终成功分离EoR信号(图2右)奠定了坚实基础。
图2:左图为SKA低频干涉阵列端到端仿真图像示意;右图为根据SDC3发布的数据分离得到的EoR信号示意。
未来,上海天文台SKA射电宇宙学课题组计划继续优化其前景扣除算法,同时生成更多的仿真数据集,以提高模型的泛化能力和精确度。这些工作将为未来SKA的实际观测提供重要的技术支持,帮助天文学家更加准确地探测和分析再电离信号,从而填补宇宙演化历史空白。
本项目由科技部SKA专项、国家自然科学基金支持。
注释:SKA,平方公里阵,Square Kilometre Array
科学联系人:
朱正浩,中国科学院上海天文台,zhenghao@shao.ac.cn
陕欢源,中国科学院上海天文台,hyshan@shao.ac.cn
郑倩,中国科学院上海天文台,qzheng@shao.ac.cn