中國科學院上海天文臺SKA射電宇宙學團組在平方公里陣列望遠鏡天文臺（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324支團隊參與。競賽針對SKA低頻干涉陣列（SKA1-LOW）建成后在低頻射電波段的觀測，要求參賽隊伍從官方給出的仿真數(shù)據(jù)中提取再電離時期（EoR）信號功率譜。在此次競賽中，上海天文臺SKA射電宇宙學團組及其合作團隊共提交了3組結(jié)果，分別榮獲第1、第4和第13名（圖1）。
圖1：SKA SDC3報名隊伍分布（上圖）和成績排行榜（下圖）。報名數(shù)量較多國家包含中國（77支隊伍）、法國（52支隊伍）、荷蘭（41支隊伍）和英國（26支隊伍）等。上海天文臺SKA射電宇宙學團組牽頭的參賽團隊提交的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期是宇宙演化早期的關鍵階段，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。研究這一時期對于理解宇宙早期條件、恒星和星系的形成過程至關重要，這些研究有助于我們構建宇宙演化的全景圖。
探測EoR信號是天文學上一項重大挑戰(zhàn)，主要原因在于需要克服強烈的前景信號干擾、復雜的干涉陣儀器效應和觀測效應。這些挑戰(zhàn)不僅需要精密的觀測技術，還需要高級的數(shù)據(jù)處理方法。天文學家面臨的第一個主要難題是強烈的前景信號干擾。銀河系和外星系的前景信號的平均幅度比預期的EoR信號大約高出四到五個數(shù)量級。這意味著，要從這些強大的前景信號中提取出微弱的EoR信號，需要精確的前景分離技術。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。這些因素都可能對信號造成扭曲或損失。當前的觀測設備進行實際測量得到的各類噪聲和系統(tǒng)誤差，要比理論預計的EoR信號強度高出幾倍甚至1-2個數(shù)量級。
為了在這場高水平的競賽中脫穎而出，上海天文臺SKA射電宇宙學團組進行了深入的準備，團組成員針對性地構建與SKA低頻陣列相近的仿真數(shù)據(jù)集，旨在確保能夠準確模擬前景、EoR信號以及相關儀器效應（圖2左）。通過這些仿真數(shù)據(jù)集，SKA射電宇宙學團組及其合作團隊得以深入了解數(shù)據(jù)特性，提前識別和解決在數(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（圖2右）奠定了堅實基礎。
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信號示意。
未來，上海天文臺SKA射電宇宙學課題組計劃繼續(xù)優(yōu)化其前景扣除算法，同時生成更多的仿真數(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的實際觀測提供重要的技術支持，幫助天文學家更加準確地探測和分析再電離信號，從而填補宇宙演化歷史空白。
本項目由科技部SKA專項、國家自然科學基金支持。
注釋：SKA，平方公里陣，Square Kilometre Array
科學聯(lián)系人：
朱正浩，中國科學院上海天文臺，zhenghao@shao.ac.cn
陜歡源，中國科學院上海天文臺，hyshan@shao.ac.cn
鄭倩，中國科學院上海天文臺，qzheng@shao.ac.cn
