中國科學(xué)院上海天文臺(tái)SKA射電宇宙學(xué)團(tuán)組在平方公里陣列望遠(yuǎn)鏡天文臺(tái)（SKAO）近期舉辦的國際數(shù)據(jù)競賽（SDC3a）中取得佳績。本次競賽于2023年3月開始，至10月結(jié)束，吸引了全球共計(jì)324支團(tuán)隊(duì)參與。競賽針對(duì)SKA低頻干涉陣列（SKA1-LOW）建成后在低頻射電波段的觀測，要求參賽隊(duì)伍從官方給出的仿真數(shù)據(jù)中提取再電離時(shí)期（EoR）信號(hào)功率譜。在此次競賽中，上海天文臺(tái)SKA射電宇宙學(xué)團(tuán)組及其合作團(tuán)隊(duì)共提交了3組結(jié)果，分別榮獲第1、第4和第13名（圖1）。
圖1：SKA SDC3報(bào)名隊(duì)伍分布（上圖）和成績排行榜（下圖）。報(bào)名數(shù)量較多國家包含中國（77支隊(duì)伍）、法國（52支隊(duì)伍）、荷蘭（41支隊(duì)伍）和英國（26支隊(duì)伍）等。上海天文臺(tái)SKA射電宇宙學(xué)團(tuán)組牽頭的參賽團(tuán)隊(duì)提交的3組結(jié)果位列成績排行榜中第1（HIMALAYA）、第4（ERWA）和第13（HAUSOS）。
宇宙黎明和再電離時(shí)期是宇宙演化早期的關(guān)鍵階段，從宇宙大爆炸后約3億年持續(xù)到約10億年。第一代恒星和星系在此時(shí)期形成，它們發(fā)射出的紫外線和X射線輻射逐漸電離了周圍的中性氫氣體。研究這一時(shí)期對(duì)于理解宇宙早期條件、恒星和星系的形成過程至關(guān)重要，這些研究有助于我們構(gòu)建宇宙演化的全景圖。
探測EoR信號(hào)是天文學(xué)上一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)，主要原因在于需要克服強(qiáng)烈的前景信號(hào)干擾、復(fù)雜的干涉陣儀器效應(yīng)和觀測效應(yīng)。這些挑戰(zhàn)不僅需要精密的觀測技術(shù)，還需要高級(jí)的數(shù)據(jù)處理方法。天文學(xué)家面臨的第一個(gè)主要難題是強(qiáng)烈的前景信號(hào)干擾。銀河系和外星系的前景信號(hào)的平均幅度比預(yù)期的EoR信號(hào)大約高出四到五個(gè)數(shù)量級(jí)。這意味著，要從這些強(qiáng)大的前景信號(hào)中提取出微弱的EoR信號(hào)，需要精確的前景分離技術(shù)。此外，觀測中的干擾包括電離層的影響、射頻干擾（RFI）以及儀器本身的效應(yīng)。這些因素都可能對(duì)信號(hào)造成扭曲或損失。當(dāng)前的觀測設(shè)備進(jìn)行實(shí)際測量得到的各類噪聲和系統(tǒng)誤差，要比理論預(yù)計(jì)的EoR信號(hào)強(qiáng)度高出幾倍甚至1-2個(gè)數(shù)量級(jí)。
為了在這場高水平的競賽中脫穎而出，上海天文臺(tái)SKA射電宇宙學(xué)團(tuán)組進(jìn)行了深入的準(zhǔn)備，團(tuán)組成員針對(duì)性地構(gòu)建與SKA低頻陣列相近的仿真數(shù)據(jù)集，旨在確保能夠準(zhǔn)確模擬前景、EoR信號(hào)以及相關(guān)儀器效應(yīng)（圖2左）。通過這些仿真數(shù)據(jù)集，SKA射電宇宙學(xué)團(tuán)組及其合作團(tuán)隊(duì)得以深入了解數(shù)據(jù)特性，提前識(shí)別和解決在數(shù)據(jù)分析中可能遇到的挑戰(zhàn)，為競賽取得優(yōu)勢并最終成功分離EoR信號(hào)（圖2右）奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
圖2：左圖為SKA低頻干涉陣列端到端仿真圖像示意，右圖為根據(jù)SDC3發(fā)布的數(shù)據(jù)分離得到的EoR信號(hào)示意。
未來，上海天文臺(tái)SKA射電宇宙學(xué)課題組計(jì)劃繼續(xù)優(yōu)化其前景扣除算法，同時(shí)生成更多的仿真數(shù)據(jù)集，以提高模型的泛化能力和精確度。這些工作將為未來SKA的實(shí)際觀測提供重要的技術(shù)支持，幫助天文學(xué)家更加準(zhǔn)確地探測和分析再電離信號(hào)，從而填補(bǔ)宇宙演化歷史空白。
本項(xiàng)目由科技部SKA專項(xiàng)、國家自然科學(xué)基金支持。
注釋：SKA，平方公里陣，Square Kilometre Array
科學(xué)聯(lián)系人：
朱正浩，中國科學(xué)院上海天文臺(tái)，zhenghao@shao.ac.cn
陜歡源，中國科學(xué)院上海天文臺(tái)，hyshan@shao.ac.cn
鄭倩，中國科學(xué)院上海天文臺(tái)，qzheng@shao.ac.cn
