暑期实践 | 我院大二本科生参加中国科学院国家天文台FAST暑期研习活动
为开阔视野，提高专业素养，接触学科前沿，8月2日-6日，在高扬副教授的带领下，我院郭怡晴、纪欣格、梁伟棠、王雨、张旭盈、左广信等6名2017级本科生来到中国科学院国家天文台FAST参加暑期研习活动。
500米口径球面射电望远镜（Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope），简称FAST，位于贵州省黔南布依族苗族自治州平塘县克度镇大窝凼的喀斯特洼地中，是“十一五”国家重大科技基础设施项目。这是我国具有自主知识产权、当前世界上最大、最灵敏的单口径射电望远镜。它的落成启用，对我国在科学前沿实现重大原创突破、加快创新驱动发展具有重要的意义。
8月2日，研习小队乘车前往距离贵阳机场200公里的大窝凼，开始为期五天的研习活动。
到达FAST后，同学们首先来到了综合楼处的总控室，国家天文台的钱磊老师向同学们讲解了FAST从选址、建设到运作原理等方面的概况，并给同学们留了几道思考题。同学们就思考题提出了对射电望远镜和FAST的疑问及看法，得到钱老师的解答和对同学们积极思考的肯定。
当天下午和晚上，国家天文台钱磊老师及冯毅老师围绕“河内中性氢成图”、“河外中性氢搜寻”、“分子云三维结构研究”、“利用脉冲星探测引力波”几个课题进行介绍，分别解释了各个课题相关核心原理和方法，解答了同学们对课题上的疑问，并让同学们自主选择课题，展开研究。
8月3日早上，同学们在高扬老师、潘之辰老师、钱磊老师的带领下，来到了园区的“核心地带”，一睹“中国天眼”——500米口径球面射电望远镜的真容。潘之辰老师就整个工程的设计构想、工作原理等方面，回答了现场各位的提问。同学们掩盖不住内心的激动，纷纷对这项国家科技的重大项目竖起了大拇指。
FAST望远镜全景图片来源：FAST工程
8月4日晚，在课题研习之余，同学们参加了由潘之辰老师主讲的学术分享会，学到了许多有趣又实用的天文知识，比如“怎样在大窝凼当地粗略计算织女星过中天的时间”，加深了对观测时间选择的理解，夜晚在一片轻松欢笑声中度过。
同学们根据老师们提供的四个课题，分别选择了“河内中性氢成图”和“利用脉冲星探测引力波”，组成了两个课题小组。经过几天的研究，在钱磊老师和冯毅老师的指导下，两个小组都出色地完成了课题任务。此次暑期研习，同学们不仅学习到很多前沿科学知识，还亲自体验了科研工作日常，可谓获益匪浅。
课题研究
脉冲星小组：
组员：王雨，张旭盈，郭怡晴
我们组主要利用脉冲星计时阵的基本方法对双超大质量黑洞系统（SMBBH）进行了研究。计时残差（timing residuals）是通过脉冲星观测得到的基本数据，它是由于引力波对时空的扰动产生的。因此通过对计时残差的数据分析，可以对是否出现引力波事件做出判断。在FAST博士师兄冯毅老师的指导下，我们首先通过量纲分析了解了引力波信号的基本形式，并明白了SMBBH系统的特殊性，在简化大多数参数的情况下做出它的基本信号模式。接着我们学习了利用FLSP（Fast Lomb-Scargle periodograms）的方法寻找其中的引力波信号，通过对比实际的观测数据和引力波信号的强度，了解到现有数据中不能认为有引力波信号的存在。最终通过同样的思路，粗略地对现今能够探测到引力波的SMBBH系统做出质量预测。引力波信号由于在背景噪声中过于微弱，对它的数据分析建立在对各项误差的研究上，是十分复杂的。由于时间和知识的限制，我们没能了解到如何处理这些复杂的误差，但是在数据分析的过程中却收获了很多额外的东西，比如一些有用的物理数学python库，深深地感受到熟练掌握一门编程语言对物理研究有多么重要。
理想的引力波信号
实际观测数据信号
利用FLSP方法寻找引力波信号
中性氢小组：
组员：梁伟棠，左广信，纪欣格
我们小组选择了河内中性氢观测的课题，在钱磊老师的指导下，利用LAB survey的数据来杂散辐射（stray radiation）对中性氢成图的影响。通过叠加探测数据的所有频率，我们得到了在探测频段内中性氢总的分布情况。随后用归一化后的一阶贝塞尔函数来描述天线的波束形状。由此，我们模拟出理想状态下的stary radiation。由于原分辨率计算量太大，在bin 4x4后，我们把计算量分到三台计算机，并行计算后终于算出来结果。实习结束回到学院后，在苗海涛师兄和朱维善老师的帮助下，我们利用昆仑服务器做了全分辨率的运算，得到了更精细结果。进一步计算从一定程度上证实了stary radiation对天体真实信息的干扰，观测数据deconvolution后能还原更清楚的细节。
全分辨率下的对比证实了卷积过程会模糊细节
用贝塞尔函数来描述望远镜天线接收灵敏度
暑期研习心得
在FAST的五天让我亲身体会了作为一个科研工作者的日常生活和科研过程，也学习到了许多平时在课堂上无法接触到的知识。这几天的感悟甚多，最深的莫过是在课题的研究中，冯老师一步步的引导我们将在课堂上学到的知识运用到真正的科研实践中，让我坚定了学好课程打好基础的决心，走科研道路的脚步也更加地坚决了。感谢学院，给我们提供了这样宝贵的机会，也感谢几天以来各位老师的悉心指导！
——2017级1班本科生郭怡晴
这四天里每时每刻都是快乐。初来时被严肃严格的电磁限制震慑到，后来发现老师们个个有趣又善良所以走的时候又非常留恋（而且也很舍不得FAST很好吃的饭菜水果酸奶小零食）。四天的实习中我体会到的不仅是科研工作者的激情和热忱，更多的是他们选择这个学科的笃定和绵延不绝的动力。课题研究也让我对科研工作对个人能力的要求有了新的认识。FAST真挚的纯粹和快乐成为了我暑假的光，也让我有了照亮别人的愿望。
——2017级3班本科生张旭盈
在FAST短短的4天，学习到了很多东西。课题研究上，在FAST“猫神”师兄的带领下，我们初步了解了脉冲星计时阵观测引力波的原理和方法，并对实际数据进行了分析，从复杂的噪声中获取引力波信号真的十分困难，最终了解了如何粗略地对SMBBH系统定出质量下限。在师兄的安排下，课题完整并且有趣。这几天真的非常幸运能碰到钱磊老师，潘之辰老师，“猫神”师兄，还有FAST的总工程师等等大佬，并且恰好遇到了FAST定期的“coffee break”，听到了潘老师对估算恒星时的精彩讲演，深刻感受到了FAST内部浓厚的学术氛围。临行前的最后一晚有幸在夕阳彩云下和诸位老师畅谈，受益良多。FAST此行虽然很短，但是收获颇丰，感慨良多！！
——2017级3班本科生王雨
在FAST度过的这四天三夜中，我们不仅零距离接触到了我国前沿科研工作者与一流工程技术人员，还实践参与了一些简单的小项目：利用LAB的观测数据与望远镜性能参数函数生成对全天中性氢分布成图的卷积模型。在处理数据的过程中，我们组三名组员积极讨论，对原始数据的数据结构、卷积流程、模型的程序代码进行反复推敲打磨，最后将程序分割在数台计算机上同时运行，成功缓解计算力不足的问题。这次实习让我们参与到了数据处理流程，实践了自己的编程能力，在实践过程中发现问题并解决问题，极大提高了我们的问题分析能力与思维能力。
——2017级3班本科生左广信
四天的FAST之旅虽短，但是它带给我的收获和感触却非常的多。从亲眼看到“中国天眼”，到详细地了解到大锅的设计和工作原理，再到有幸能看到工程人员控制大锅观测时的大场面，真的非常幸运！
在和其他两位大佬一起进行课题研究的过程中，也向他们学习到了很多东西，从研究思路到设计代码处理数据，他们一路都带着我，而且因为要跑的数据太多，伟棠回来之后还一直在处理数据，实名感谢梁伟棠大佬和左广信大佬！
在这短短的四天里，我看到了以前从未看到过的科研工作者和工程师们的“日常”，原来他们也非常的接地气，很热情也很耐心地解答我们对科研、对学业、甚至对生活的一些问题，特别感谢学院和老师们给的机会！FAST之旅对我而言实在是一次很有意义也很特别的经历！
——2017级3班本科生纪欣格
很感谢学院和国家天文台能给我们这次实习机会。FAST的老师们学识渊博为人风趣，潘之辰老师带我们夜观星空，准确口算出天体位置的能力令我印象非常深刻；钱磊老师带领我们小组做研究，耐心细致的讲解使我们受益匪浅；冯毅老师用量纲分析法就推导引力波辐射功率，让我们感受到了物理之美。实地考察500米射电望远镜、在总控室看系统实时观测，在FAST四天的感受只剩下“FAST真乃国之重器”。我们团队合作，三人一起做并行计算，出结果那一刻真的整个人都跳起来了。后续还有学院老师师兄的支持与帮忙，进一步把结果做得更好，真心感谢所有帮助过我们的老师同学们。
——2017级3班本科生梁伟棠
