脈沖星數(shù)據(jù)比對(duì)分析和可視化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

張 輝 王 培 張 蕾 許余云 岳友嶺 潘之辰 劉志杰 于徐紅 游善平 姜家濤 謝曉堯>

(1 貴州師范大學(xué)貴州省信息與計(jì)算科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室貴陽550001)

(2 貴州師范大學(xué)數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院貴陽550001)

(3 貴州師范大學(xué)FAST早期科學(xué)數(shù)據(jù)中心貴陽550001)

(4 中國科學(xué)院國家天文臺(tái)北京100012)

(5 貴州水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院管理工程分院貴陽551416)

1 引言

自1967年8月英國天文學(xué)家Jocelyn Bell和其博士生導(dǎo)師Antony Hewish教授等人發(fā)現(xiàn)第1顆射電脈沖星CP 1919以來[1]， 脈沖星始終是射電天文學(xué)和天體物理學(xué)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一. 脈沖星獨(dú)特的物理性質(zhì)， 如大質(zhì)量、精確的自旋周期、強(qiáng)磁場(chǎng)和強(qiáng)引力等， 使得它可被應(yīng)用于開展深空探測(cè)、定位導(dǎo)航、引力波探測(cè)等， 吸引著眾多物理學(xué)家、天文學(xué)家和其他領(lǐng)域科學(xué)家競(jìng)相研究. 1974年美國著名物理學(xué)家R. A. Hulse和J.H. Taylor教授等人利用阿雷西博(Arecibo)射電望遠(yuǎn)鏡首次發(fā)現(xiàn)了雙星系統(tǒng)脈沖星(PSR B1913+16)[2]， 從而發(fā)現(xiàn)了愛因斯坦相對(duì)論中關(guān)于引力波存在理論的間接證據(jù)[3]， Hulse和Taylor因此榮獲1993年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng). 迄今為止， 公開文獻(xiàn)資料發(fā)布的已知脈沖星樣本已超過2811顆[4].

為進(jìn)一步研究這類天體個(gè)體和群體性物理特征、形成機(jī)制、演化進(jìn)程和應(yīng)用前景， 射電望遠(yuǎn)鏡的大量觀測(cè)時(shí)間都投入到脈沖星搜尋項(xiàng)目中， 以期探測(cè)發(fā)現(xiàn)新的樣本或奇異樣本， 如脈沖星-黑洞(PSR-BH)雙星系統(tǒng)、河外脈沖星、球狀星團(tuán)脈沖星、巨脈沖、帶有伴星或者從未發(fā)現(xiàn)過的其他新類別脈沖星. 2016年9月位于貴州喀斯特偏遠(yuǎn)山區(qū)的五百米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡[5](Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope，F(xiàn)AST)進(jìn)入科學(xué)運(yùn)行階段， 先后配置了超寬帶接收機(jī)和L波段19波束接收機(jī). 為充分利用FAST優(yōu)異的探測(cè)能力， 2018年李菂等人設(shè)計(jì)并實(shí)施了“FAST多科學(xué)目標(biāo)同時(shí)掃描巡天”(The Commensal Radio Astronomy FAST Survey， CRAFTS)[6]， 使用多個(gè)數(shù)字后端同時(shí)采集脈沖星、中性氫、分子譜線、暫現(xiàn)源、FRB (Fast Radio Burst)等多個(gè)科學(xué)目標(biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù)[7]. 當(dāng)前， FAST已采集到觀測(cè)數(shù)據(jù)容量超過1 PB， 通過2 GB/s光纖專線網(wǎng)絡(luò)傳輸至位于貴州師范大學(xué)校內(nèi)的FAST早期科學(xué)數(shù)據(jù)中心進(jìn)行統(tǒng)一存儲(chǔ)， 并通過聯(lián)合研制的分布式并行計(jì)算加速系統(tǒng)及搜索數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)處理， 成功獲得超過500萬個(gè)脈沖星候選體. 同時(shí)， FAST還多次探測(cè)到快速射電暴FRB121102重復(fù)爆發(fā)現(xiàn)象， 并首次發(fā)現(xiàn)色散高達(dá)1812 pc·cm-3的新快速射電暴FRB181123[8]. 根據(jù)劉鵬等人于2018年對(duì)FAST 19波束接收機(jī)脈沖星漂移掃描巡天探測(cè)能力模擬估算數(shù)據(jù)顯示， FAST在赤緯-14°12′-+65°48′天區(qū)范圍可發(fā)現(xiàn)超過1600顆普通脈沖星和238顆毫秒脈沖星[9]. 未來， FAST脈沖星巡天項(xiàng)目采集到的數(shù)據(jù)總量可達(dá)100 PB， 經(jīng)數(shù)據(jù)分析處理， 預(yù)計(jì)可發(fā)現(xiàn)新脈沖星4000-5000顆[10]. 另外， 建設(shè)中的國際合作項(xiàng)目平方公里射電陣列(The Square Kilometre Array， SKA)相比于FAST， 其綜合靈敏度更高、探測(cè)天區(qū)更廣、采集數(shù)據(jù)規(guī)模更大， 伴隨產(chǎn)生候選體和新脈沖星將更多， 在SKA1-Mid和SKA1-Low兩階段預(yù)計(jì)可探測(cè)普通脈沖星約9000顆， 毫秒脈沖星約1200顆[11].

隨著新的觀測(cè)設(shè)備和數(shù)據(jù)分析處理方法應(yīng)用于脈沖星科學(xué)研究， 未來將可能發(fā)現(xiàn)更多新樣本. 目前， 國際上常用的脈沖星星表數(shù)據(jù)庫有由澳大利亞國家天文臺(tái)(Australia Telescope National Facility，ATNF)的Hobbs和Manchester等人開發(fā)的The ATNF Pulsar Catalogue(PSRCAT)、Green Bank North Celestial Cap(GBNCC)數(shù)據(jù)發(fā)布網(wǎng)站和The European Pulsar Network Pulse Profile Database (EPN)等. PSRCAT的星表數(shù)據(jù)庫基于文本文件進(jìn)行數(shù)據(jù)管理， 它僅收錄公開發(fā)表文獻(xiàn)資料中的脈沖星參數(shù)和數(shù)據(jù)， 不含候選體數(shù)據(jù)記錄和尚未正式公開發(fā)表的源. GBNCC則通過自建網(wǎng)頁發(fā)布其數(shù)據(jù)處理結(jié)果，包含186顆新發(fā)現(xiàn)的脈沖星， 其中24顆為毫秒脈沖星， 22顆為旋轉(zhuǎn)射電暫現(xiàn)源(Rotating RAdio Transient， RRAT). EPN則通過采集各類脈沖星輪廓圖像為射電領(lǐng)域?qū)W者提供檢索服務(wù).

據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研， 尚未有一套整合已知脈沖星、未發(fā)表源、候選體、巡天項(xiàng)目等數(shù)據(jù)并進(jìn)行比對(duì)分析和可視化展示的綜合專用數(shù)據(jù)庫系統(tǒng). 為更全面地采集已知脈沖星、未發(fā)表源和候選體等數(shù)據(jù)， 為射電脈沖星科學(xué)研究提供更全面的數(shù)據(jù)記錄和系統(tǒng)工具，幫助FAST在脈沖星科學(xué)研究領(lǐng)域取得新的突破， 我們建立了面向已知脈沖星、未發(fā)表源和候選體數(shù)據(jù)采集， 集比對(duì)分析、數(shù)據(jù)管理和可視化為一體的專用數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)(The Pulsar Database， PSRDB， 網(wǎng)址: http://www.psrdb.net/). 目前， PSRDB已在FAST早期科學(xué)數(shù)據(jù)中心成功應(yīng)用于FAST脈沖星數(shù)據(jù)分析處理項(xiàng)目.

2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)與技術(shù)架構(gòu)

2.1.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

PSRDB為脈沖星數(shù)據(jù)提供規(guī)范統(tǒng)一的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理， 用于已知脈沖星及候選體的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、比對(duì)分析和可視化， 為脈沖星科學(xué)研究中數(shù)據(jù)共享和匹配檢索提供數(shù)據(jù)和平臺(tái)支持， 具體設(shè)計(jì)目標(biāo)如下:

(1)不同于ATNF或PSRCAT基于文本文件的數(shù)據(jù)管理方式， PSRDB采用結(jié)構(gòu)化關(guān)系型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)， 以便支撐不斷新增脈沖星數(shù)據(jù)的在線管理需求， 解決文本格式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)容量有限、大量數(shù)據(jù)記錄的維護(hù)和檢索不便問題;

(2)收錄FAST候選體數(shù)據(jù)及其他望遠(yuǎn)鏡尚未正式公開發(fā)表的源以及1967年發(fā)現(xiàn)首顆脈沖星以來公開發(fā)表文獻(xiàn)中已知脈沖星、主要巡天項(xiàng)目和望遠(yuǎn)鏡設(shè)備數(shù)據(jù)， 提供數(shù)據(jù)檢索、匹配分析、數(shù)據(jù)共享與簡單統(tǒng)計(jì)應(yīng)用分析， 為后續(xù)巡天觀測(cè)計(jì)劃制定、數(shù)據(jù)分析處理和候選體認(rèn)證提供數(shù)據(jù)和工具支持;

(3)面向全球脈沖星科學(xué)研究組織和個(gè)人研究者， 提供開放的候選體數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理，建立脈沖星科學(xué)社區(qū)， 提供科研交流互動(dòng)平臺(tái).

2.1.2 技術(shù)架構(gòu)

PSRDB數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)采用Oracle公司開源數(shù)據(jù)庫MySQL作為后端數(shù)據(jù)庫1https://www.mysql.com/， 應(yīng)用服務(wù)部署于阿里巴巴公有云服務(wù)器(Elastic Compute Service， ECS)2https://www.aliyun.com/， 以保證系統(tǒng)的可用性、易擴(kuò)展性和網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性， 技術(shù)架構(gòu)如圖1. 脈沖星數(shù)據(jù)除了結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)記錄， 還包含大量的判別圖像文件、描述文本等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)， 檢索、比對(duì)分析和定位存在加載緩慢問題， 通過配置云對(duì)象存儲(chǔ)(OSS)和內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)(CDN)進(jìn)行提速. PSRDB數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)以Spring Framework為核心框架， Spring MVC為模型視圖控制框架， Mybatis作為數(shù)據(jù)持久層框架負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)持久化， 同時(shí)引入Apache Shiro安全框架負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的安全和權(quán)限控制， 并選用Ehcahe作為數(shù)據(jù)緩存框架對(duì)常用數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存， 使用Disruptor作為高性能并發(fā)框架用于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的并發(fā)操作， 采用了Twitter Bootstrap作為前端頁面展現(xiàn)框架， 可視化圖表展示則采用開源Echarts3https://echarts.apache.org/zh/index.html插件來實(shí)現(xiàn)， 從而使得前后端程序耦合性降低， 便于數(shù)據(jù)庫后期持續(xù)擴(kuò)展和維護(hù)， 未來計(jì)劃開放部分?jǐn)?shù)據(jù)接口(即開放應(yīng)用編程接口， Open API).

圖1 PSRDB數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)圖Fig.1 Technical architecture of the PSRDB

2.2 數(shù)據(jù)源

PSRDB匯集望遠(yuǎn)鏡設(shè)備數(shù)據(jù)、已知脈沖星數(shù)據(jù)、未正式發(fā)表源、候選體數(shù)據(jù)、巡天項(xiàng)目數(shù)據(jù)等. 由FAST早期科學(xué)數(shù)據(jù)中心上傳來自FAST脈沖星項(xiàng)目的所有候選體數(shù)據(jù)資源， 同時(shí)， PSRDB通過不定期查閱公開文獻(xiàn)資料、主要巡天項(xiàng)目主頁、相關(guān)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)等方式進(jìn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集和更新.

2.2.1 已知脈沖星

據(jù)ATNF脈沖星數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)顯示， 1967年以來公開文獻(xiàn)發(fā)表了2811顆脈沖星， 如表1，PSRDB通過檢索ATNF數(shù)據(jù)庫、查閱公開文獻(xiàn)資料、巡天項(xiàng)目官網(wǎng)等多種方式采集了表1中已公開發(fā)表的脈沖星數(shù)據(jù)， 其中“misc”表示其他望遠(yuǎn)鏡設(shè)備.

我們以兩年為1個(gè)周期對(duì)1967-2020年世界主要望遠(yuǎn)鏡設(shè)備(如FAST、Parkes、GBT、Arecibo等)脈沖星發(fā)現(xiàn)情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析， 如圖2， 其中“other”表示其他巡望遠(yuǎn)鏡. 在最初20 yr里， 超過半數(shù)的脈沖星由Molonglo望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)， 2000年以后Parkes望遠(yuǎn)鏡成為發(fā)現(xiàn)脈沖星數(shù)量最多的探測(cè)設(shè)備， 一度超過其他望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)數(shù)量的總和， 特別是Parkes開展的多波束脈沖星巡天(Parkes Multibeam Pulsar Survey， PMPS)[12]直接貢獻(xiàn)多達(dá)830顆新脈沖星. Fermi Gamma-ray Space Telescope (Fermi)4https://fermi.gsfc.nasa.gov/近年來在高能(High-Energy， HE)脈沖星和毫秒脈沖星發(fā)現(xiàn)方面有突出貢獻(xiàn). Arecibo望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)第1個(gè)孤立雙星系統(tǒng)中質(zhì)量較大的脈沖星PSR B1913+16， 觀察結(jié)果與愛因斯坦廣義相對(duì)論中有關(guān)引力波預(yù)言的理論計(jì)算結(jié)果非常接近， 從而間接證明了引力波的存在. 同時(shí)，Arecibo還發(fā)現(xiàn)了毫秒脈沖星PSR B1257+12， 該脈沖星周圍有3顆行星， 其中2顆可能是巨大的超級(jí)地球(Super-Earths)， 另外1顆僅僅比月球稍大， 是到目前為止發(fā)現(xiàn)的最小的系外行星.

表1 1967年以來主要望遠(yuǎn)鏡設(shè)備脈沖星巡天探測(cè)發(fā)現(xiàn)脈沖星數(shù)量統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of pulsars discovered in pulsar surveys performed by the major telescopes since 1967

圖2 1967年以來世界主要望遠(yuǎn)鏡設(shè)備脈沖星巡天探測(cè)發(fā)現(xiàn)脈沖星數(shù)量統(tǒng)計(jì)Fig.2 Statistics of pulsars discovered by the world’s major telescopes and pulsar surveys since 1967

2.2.2 未發(fā)表源

PSRDB已采集尚未被ATNF脈沖星數(shù)據(jù)庫收錄的源522條， 分別來自FAST的多科學(xué)目標(biāo)同時(shí)掃描巡天CRAFTS項(xiàng)目，Arecibo L波段饋源陣列脈沖星巡天(Pulsar Arecibo L-band Feed Array Survey，PALFA)[13]，低頻射電陣列LOFAR巡天(LOFAR Tied-Array All-sky Survey， LOTAAS)[14]， 綠堤射電望遠(yuǎn)鏡GBT北半球脈沖星巡天(Greenbank Northern Celestial Cap Survey， GBNCC)[15]和350 MHz頻域巡天(GBT350)等主要巡天項(xiàng)目， 如表2. 這些巡天項(xiàng)目數(shù)據(jù)因元數(shù)據(jù)不一致， 阻礙了數(shù)據(jù)的交互、共享、匯總， 需要建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)， 利用數(shù)據(jù)倉庫技術(shù)(Extract-Transform-Load， ETL)對(duì)源數(shù)據(jù)進(jìn)行抽取、轉(zhuǎn)換， 并輸入到PSRDB以保證數(shù)據(jù)完整、正確及有效.

表2 PSRDB數(shù)據(jù)庫收錄的來自主要望遠(yuǎn)鏡尚未公開發(fā)表脈沖星統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of unpublished pulsars from the major telescopes contained in PSRDB

2.3 對(duì)比方法

2.3.1 比對(duì)流程分析

基于采集入庫的脈沖星、未正式發(fā)表源和候選體數(shù)據(jù)等， 可對(duì)新產(chǎn)生的候選體進(jìn)行在線比對(duì)和檢索分析. 候選體比對(duì)分析基本流程為進(jìn)入比對(duì)分析頁面、填寫比對(duì)參數(shù)(如赤經(jīng)赤緯坐標(biāo)、周期(P0)、色散值(DM)等)、選擇比對(duì)方法、生成比對(duì)結(jié)果， 比對(duì)流程如圖3. 具體流程操作為: 假設(shè)用戶A擁有一顆新候選體C1， 比對(duì)流程第1步， 以C1名稱作為參數(shù)進(jìn)行在線檢索， 若PSRDB候選體管理表“candidate”中未發(fā)現(xiàn)相同候選體，則更新候選體表中參數(shù)如: 候選體識(shí)別碼(candidate id)、坐標(biāo)、周期、色散值、信噪比(s/n)、用戶信息(user id)等; 第2步， 與PSRDB中已知脈沖星進(jìn)行比對(duì)， 系統(tǒng)反饋結(jié)果列表， 若C1與某已知脈沖星參數(shù)吻合， 則認(rèn)為發(fā)現(xiàn)了一顆已知脈沖星， 用戶可選擇標(biāo)記C1狀態(tài)為“Confirmed”， 并將該候選體保存至PSRDB; 若C1與PSRDB中已知脈沖星星表數(shù)據(jù)沒有匹配上， 則進(jìn)行候選體之間的比對(duì)， 如果未能匹配檢索到已知候選體記錄，則將其狀態(tài)更新為“unconfirmed”， 則它可能是新發(fā)現(xiàn)的脈沖星; 最后， 在上述比對(duì)過程中， 用戶A可以自由選擇是否將候選體相關(guān)數(shù)據(jù)保存至PSRDB， 并設(shè)置數(shù)據(jù)隱私權(quán)限和進(jìn)行后期數(shù)據(jù)維護(hù)， PSRDB不會(huì)保留任何未經(jīng)用戶授權(quán)的候選體數(shù)據(jù).

2.3.2 比對(duì)分析方法

脈沖星及候選體的比對(duì)分析是發(fā)現(xiàn)新脈沖星和進(jìn)一步研究脈沖星性質(zhì)特征的基礎(chǔ)和必要過程， PSRDB提供4種不同比對(duì)方法進(jìn)行在線比對(duì)分析.

圖3 PSRDB候選體比對(duì)匹配分析流程示意圖Fig.3 Flow chart of PSRDB candidate comparison and matching analysis

(1)基于脈沖星位置坐標(biāo)的比對(duì)方法. 用戶設(shè)置銀經(jīng)(gl)、銀緯(gb)初值， 分別記作gl0和gb0(單位為°)， 并以(gl0， gb0)為圓心坐標(biāo)， 同時(shí)， 指定檢索半徑r(單位為°)的大小，匹配檢索PSRDB數(shù)據(jù)庫中包含在圓內(nèi)的所有候選體或者已知脈沖星數(shù)據(jù)記錄， 比對(duì)結(jié)果可以表格或者圖形方式輸出. 如(1)式:

其中， 參數(shù)gl、gb分別表示脈沖星的銀經(jīng)和銀經(jīng)坐標(biāo)，r表示圓半徑大小;

(2)基于DM和P0的比對(duì)方法. 用戶通過給定色散(單位: pc·cm-3)和周期(單位: s)的區(qū)間范圍， 結(jié)合邏輯判斷(或(‖)、與(&&)、非(!)等)進(jìn)行過濾， 檢索PSRDB數(shù)據(jù)庫中所有符合檢索條件DM或者P0的樣本數(shù)據(jù)， 如檢索條件(P0＞1&&P0＜6)&&(DM＞0&&DM＜9)， 并以表格或者圖形方式直觀輸出比對(duì)結(jié)果;

(3)基于相似度(Similarity)的比對(duì)方法. 記S表示由脈沖星或者候選體部分參數(shù)(如表3)構(gòu)成的集合， 如S={P0，DM，mass，gl，gb，ra，dec，s400，···}為脈沖星或者候選體屬性參數(shù)集合， 其中mass為質(zhì)量、ra及dec分別為赤經(jīng)和赤緯、s400為流量密度. 利用其中部分參數(shù)構(gòu)建特征向量， 檢索匹配PSRDB數(shù)據(jù)庫中給定范圍的n維向量集合表示用戶輸入待比對(duì)的候選體或者脈沖星特征向量， 特征向量各分量取值為用于比對(duì)分析中參與計(jì)算的脈沖星所對(duì)應(yīng)各參數(shù)的數(shù)值. 相似度通過特征向量的夾角余弦值定義， 公式如下:

表3 候選體屬性參數(shù)列表Table 3 Parameter list of pulsar candidate

2.4 統(tǒng)計(jì)分析

為幫助脈沖星科學(xué)研究者理解樣本點(diǎn)的分布特征， 也為巡天定標(biāo)、新的巡天計(jì)劃制定、脈沖星群體性和個(gè)性特征研究提供可量化的數(shù)據(jù)支撐， 對(duì)于樣本點(diǎn)數(shù)值類型參數(shù)如周期、頻率、色散量、質(zhì)量等， 依據(jù)自定義檢索范圍和條件， PSRDB提供統(tǒng)計(jì)功能， 繪制頻數(shù)分布直方圖， 并計(jì)算參與統(tǒng)計(jì)樣本的最大值、最小值、中位數(shù)、極差、均值、方差等統(tǒng)計(jì)量.

3 數(shù)據(jù)庫功能介紹

3.1 已知脈沖星數(shù)據(jù)管理

PSRDB提供已知脈沖星檢索匹配功能， 如圖4. PSRDB提供預(yù)定義脈沖星參數(shù)60多個(gè)， 用戶可根據(jù)不同科學(xué)目標(biāo)在PSRDB檢索比對(duì)頁面勾選相關(guān)屬性參數(shù)， 輸入相似度計(jì)算參數(shù)值和頻數(shù)分布統(tǒng)計(jì)量， 設(shè)置周期、色散、坐標(biāo)和半徑等進(jìn)行檢索， 也可根據(jù)脈沖星名進(jìn)行快速檢索.

圖4 PSRDB數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)檢索匹配頁面Fig.4 Matching page of the PRSDB

檢索結(jié)果以“TABLE”或“PLOT”形式輸出. “TABLE”形式的數(shù)據(jù)展示如圖5， 通過比對(duì)頁面【Logic Conditions】設(shè)置比對(duì)檢索條件: (P0＞1 && P0＜6) && (DM＞0&&DM＜9)， 共檢索匹配到6顆符合條件的脈沖星. 如圖6， 應(yīng)用(1)式和比對(duì)分析頁面【Circular Boundary】功能， 設(shè)置gl0= 10、gb0= 10、r= 5， 共匹配到10顆符合條件的脈沖星. 匹配結(jié)果列表可按列屬性進(jìn)行2次升降排序， 也可將數(shù)據(jù)在線打印或者以CSV、Excel和PDF等格式導(dǎo)出. 此外， PSRDB提供1-3維數(shù)據(jù)的圖形可視化展示， 可生成散點(diǎn)圖、折線圖、柱狀圖等， 展示脈沖星的重要參數(shù)如坐標(biāo)、色散值、周期之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系， 并且所有的成圖均可保存至本地. 如圖7所示展示了目前為止所有已公開發(fā)表脈沖星(2811顆)在銀河系中的空間分布， 大部分脈沖星都集中在銀道面上， 這種現(xiàn)象與超新星遺跡的分布吻合， 進(jìn)而支持脈沖星是由超新星爆發(fā)所生成的觀點(diǎn).

用戶可通過脈沖星詳情頁了解其更全面的各項(xiàng)參數(shù)， 如果對(duì)重點(diǎn)關(guān)注的脈沖星想要進(jìn)一步研究其進(jìn)展， PRSDB還提供了個(gè)人收藏功能， 通過點(diǎn)擊詳情頁面“Following”進(jìn)行收藏， 方便下次預(yù)覽和集中管理. PSRDB后臺(tái)已知脈沖星數(shù)據(jù)管理頁面如圖8， 提供脈沖星、候選體、未發(fā)表源、望遠(yuǎn)鏡設(shè)備、巡天項(xiàng)目和科學(xué)社區(qū)等數(shù)據(jù)的增、刪、改、查、排序和批量導(dǎo)入導(dǎo)出等功能.

圖5 已知脈沖星數(shù)據(jù)檢索結(jié)果Fig.5 Search results of known pulsars

圖6 基于脈沖星銀經(jīng)(gl0)、銀緯(gb0)和檢索半徑(r)的比對(duì)匹配結(jié)果Fig.6 Matching results based on the galactic longitude (gl0)， galactic latitude (gb0) and radius (r) of a pulsar

3.2 候選體數(shù)據(jù)管理

3.2.1 屬性參數(shù)

每顆候選體包含多個(gè)必要的屬性， 用于描述來源、名稱、周期、色散值、坐標(biāo)、探測(cè)望遠(yuǎn)鏡、信號(hào)強(qiáng)度、發(fā)布時(shí)間、探測(cè)頻率、項(xiàng)目編號(hào)等基礎(chǔ)信息， 如表3. 考慮到軟件兼容性、語義和使用習(xí)慣等問題， PSRDB數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)建設(shè)借鑒了ATNF的已知脈沖星參數(shù)空間， 并增加了隱私(privacy)和狀態(tài)屬性(state)， 對(duì)候選體數(shù)據(jù)進(jìn)行權(quán)限管理， 并在后期運(yùn)行維護(hù)中不斷完善和擴(kuò)充參數(shù)列表.

對(duì)于候選體的探測(cè)日志記錄， PSRDB標(biāo)記了候選體的處理軟件、歸屬機(jī)構(gòu)、診斷圖、探測(cè)發(fā)現(xiàn)日期、候選體認(rèn)證狀態(tài)等關(guān)鍵信息， 如表4所示， 其中FFT、SP、FFA分別代表快速傅里葉變換、單脈沖搜索和快速傅里葉分析.

圖7 2811顆已知脈沖星在銀河系中的空間分布Fig.7 Spatial distribution of 2811 known pulsars in the Milky way

圖8 PSRDB已知脈沖星數(shù)據(jù)管理頁面Fig.8 Known pulsar data management page of PSRDB

3.2.2 數(shù)據(jù)提交

PSRDB提供候選體數(shù)據(jù)提交功能， 以方便脈沖星科研團(tuán)隊(duì)成員及其他脈沖星研究組織在線提交候選體數(shù)據(jù)， 如圖9. 在數(shù)據(jù)提交頁面， 用戶需填寫觀測(cè)設(shè)備、巡天項(xiàng)目、位置坐標(biāo)、周期、色散等候選體關(guān)鍵屬性數(shù)據(jù)， 設(shè)置隱私屬性， 提交至PSRDB， 并可通過個(gè)人中心進(jìn)行數(shù)據(jù)持續(xù)維護(hù).

3.2.3 數(shù)據(jù)維護(hù)

候選體數(shù)據(jù)屬于脈沖星科研團(tuán)隊(duì)的重要科研成果之一， 相關(guān)數(shù)據(jù)一般需進(jìn)一步分析， 具有一定的保密、私有屬性. PSRDB通過權(quán)限控制對(duì)用戶權(quán)限進(jìn)行管理， 只有同組用戶才可以在線訪問和分享數(shù)據(jù)， 未授權(quán)用戶在前端“CANDIDATES”頁面將無法查閱任何候選體相關(guān)信息. 候選體數(shù)據(jù)管理頁面如圖10， 提供數(shù)據(jù)的增、刪、改、查、排序、批量導(dǎo)入和導(dǎo)出等功能. 當(dāng)前， PSRDB已收錄FAST巡天項(xiàng)目CRAFTS的優(yōu)質(zhì)候選體140多顆.

表4 候選體數(shù)據(jù)處理及探測(cè)參數(shù)列表Table 4 Parameters of candidate data processing and detection

圖9 PSRDB候選體數(shù)據(jù)提交頁面Fig.9 Candidate data submission page of PSRDB

3.3 科學(xué)社區(qū)

PSRDB除了面向射電脈沖星領(lǐng)域提供脈沖星、候選體等數(shù)據(jù)管理和分析外， 還建立了脈沖星科學(xué)社區(qū)， 為科研工作者提供互動(dòng)交流平臺(tái)， 實(shí)現(xiàn)發(fā)起話題、問題回復(fù)等互動(dòng)功能， 如圖11. 點(diǎn)擊前端“COMMUNITY”導(dǎo)航進(jìn)入社區(qū)頁面， 用戶可發(fā)布和轉(zhuǎn)載包括脈沖星、快速射電暴、RRAT等科研資訊， 建立脈沖星搜索軟、硬件方法等主題討論區(qū).

4 PSRDB在FAST中的應(yīng)用

PSRDB在FAST脈沖星巡天項(xiàng)目過程中提供在線數(shù)據(jù)共享、檢索、比對(duì)統(tǒng)計(jì)、驗(yàn)證等科研服務(wù). FAST進(jìn)入科學(xué)運(yùn)行階段以來， 脈沖星科研團(tuán)隊(duì)已發(fā)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)候選體140多顆5https://crafts.bao.ac.cn/local/ismwiki/index.php/Pulsar_Search_19-beam， 其中， 張蕾等人公開發(fā)表了2顆， Cameron等人公開發(fā)表了11顆[16-18]， 如表5， 其中RAJ2000和DECJ2000為定義在J2000坐標(biāo)系下的赤經(jīng)和赤緯， 部分脈沖星因需進(jìn)一步開展科學(xué)研究尚未對(duì)外公開發(fā)表， 全部脈沖星數(shù)據(jù)均收錄至PSRDB進(jìn)行數(shù)據(jù)管理， 未授權(quán)用戶無法查閱未公開發(fā)表數(shù)據(jù).

圖10 候選體數(shù)據(jù)維護(hù)頁面Fig.10 Data maintenance page of candidates

圖11 脈沖星科學(xué)社區(qū)Fig.11 Pulsar scientific community

表5 11顆來自FAST巡天項(xiàng)目CRAFTS公開發(fā)表的脈沖星Table 5 Eleven published pulsars from CRAFTS of FAST

PSRDB通過比對(duì)分析頁面【Frequency Distribution】功能設(shè)置組數(shù)5， DM范圍0-1 000 pc·cm-3， 對(duì)140顆FAST優(yōu)質(zhì)候選體的色散進(jìn)行頻數(shù)分布統(tǒng)計(jì)分析， 如圖12. 數(shù)據(jù)顯示有高達(dá)123顆優(yōu)質(zhì)候選體色散值集中在200 pc·cm-3以內(nèi)， 這對(duì)下一階段FAST脈沖星數(shù)據(jù)處理中制定消色散方案有重要參考意義.

圖12 來自FAST的140顆優(yōu)質(zhì)候選體色散頻數(shù)分布情況統(tǒng)計(jì)Fig.12 Statistics for the DM distribution of 140 new candidates from FAST

5 總結(jié)與展望

PSRDB已采集1967年自人類發(fā)現(xiàn)第1顆脈沖星以來所有公開發(fā)表的脈沖星2811顆，同時(shí)收錄了包括CRAFTS、GBNCC、PALFA、LOTTAS等巡天項(xiàng)目尚未公開發(fā)表的源. PSRDB提供脈沖星和候選體檢索匹配、驗(yàn)證、比對(duì)分析等功能， 并實(shí)現(xiàn)了檢索匹配數(shù)據(jù)的可視化展示. 目前， PSRDB已應(yīng)用于FAST脈沖星數(shù)據(jù)管理， 收錄了140顆新優(yōu)質(zhì)脈沖星.

PSRDB為FAST下一步開展脈沖星搜尋、巡天計(jì)劃制定、新源驗(yàn)證和數(shù)據(jù)處理等科研工作提供數(shù)據(jù)和工具支撐， 同時(shí)， 也可以為個(gè)人和其他科研機(jī)構(gòu)提供候選體數(shù)據(jù)管理、新脈沖星比對(duì)和已知脈沖星檢索匹配服務(wù). 下一步我們將持續(xù)更新PSRDB數(shù)據(jù)記錄， 完善巡天項(xiàng)目、望遠(yuǎn)鏡設(shè)備參數(shù)和補(bǔ)充已有脈沖星和候選體的部分缺失數(shù)據(jù)， 設(shè)計(jì)更為豐富的統(tǒng)計(jì)分析模型和工具， 擴(kuò)展數(shù)據(jù)可視化功能.

致謝感謝中國科學(xué)院國家天文臺(tái)李菂教授， 澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織George Hobbs教授、王晨教授和代實(shí)博士以及來自Parkes望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)支持， 特別感謝貴陽學(xué)院張正東博士、網(wǎng)易工程師張翔、軟件獨(dú)立開發(fā)者王存見對(duì)本文的建設(shè)性建議和幫助.