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