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有物混成，先天地生。寂兮寥兮！獨立而不改，周行而不殆。
——《道德經(jīng)》
圖1.宇宙的凝望（該圖由Midjourney生成）
自古以來，人類對浩渺星空抱有無盡的遐想，不斷地邁向探索的征程。近年來，隨著科技的飛速發(fā)展，人類加快了對宇宙的探索步伐。通過運用先進的設備和技術，天文學家揭示了引力波、黑洞、暗物質(zhì)與暗能量等令人驚奇的現(xiàn)象，這極大地加深了我們對宇宙的認知。
自2011年以來，人工智能（Artificial Intelligence，AI）技術經(jīng)歷了飛速發(fā)展，成功地跨越了科學與應用之間的技術鴻溝，在圖像分類、語音識別、知識問答、無人駕駛等方面實現(xiàn)了重大的突破，進入了蓬勃發(fā)展的時期。而在天文學領域，AI的應用也在逐年加速增長。通過對arXiv上涉及AI在天文研究方面的論文進行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)從2013年的46篇增長到2022年的2328篇，十年間增長了50倍之多。
圖2.十年間發(fā)表在arxiv physics上的AI文章的數(shù)量（標題中檢索machine learning，deep learning或neural network關鍵詞的統(tǒng)計結果）
天文學已經(jīng)進入了多波段、大樣本和高信息量的時代，望遠鏡和其他觀測儀器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量成為真正的“天文數(shù)字”。AI技術在天文學中的應用越來越廣泛，其算法從傳統(tǒng)機器學習發(fā)展到深度學習，分析任務從簡單到復雜。隨著神經(jīng)網(wǎng)絡結構的不斷改進，AI模型在特征提取和表征方面的能力顯著增強?，F(xiàn)在，我們已經(jīng)能夠通過測光圖像直接識別出非常暗的天體，例如低面亮度星系（如圖3所示）和L矮星（如圖4所示）。這些天體幾乎是在可見光圖像中能夠被辨識出的最暗的星系和恒星。
圖3.利用AI搜尋側向低面亮度星系（圖源：山東大學邢永廣 衣振萍）
圖4.利用AI搜尋L矮星（圖源：山東大學曹智 衣振萍）
ChatGPT的橫空出世標志著AI的重大突破，被視為引發(fā)新一輪AI革命的里程碑。ChatGPT是大模型和大數(shù)據(jù)相結合的成果。而在天文學領域，積累了海量的觀測數(shù)據(jù)，在算法和算力的支持下，天文學也將邁入AI革命的時代，很可能帶來顛覆性的變化。
建立的數(shù)據(jù)分析大模型可以從天文大數(shù)據(jù)中提取到更豐富、更準確的信息。例如，可以直接從圖像中對各類天體進行自動檢測和分類，自動融合多個波段的數(shù)據(jù)，提供可靠的天體屬性參數(shù)，并自動生成統(tǒng)計圖表。
圖5展示了一個圖像描述（image caption）任務的框架，由卷積神經(jīng)網(wǎng)絡（CNN）和循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡（RNN）構成。該模型可以識別圖像中的對象，并用文字描述圖像內(nèi)容，即通過AI模型使計算機擁有“看圖說話”的能力。這種任務涉及圖像和描述文本兩種不同的信息模態(tài)，如何讓AI模型充分利用多模態(tài)信息并進行交互，也是未來研究的一個趨勢。
圖5.一個圖像描述任務框架
借助圖像描述等技術，可以對天文圖像進行自動分析，并通過文字、圖像、語音等直接、友好的方式提供反饋結果。圖6展示了對暗能量相機遺珍巡天的一幅圖像自動分析并生成文字反饋的示意圖。
圖6.利用AI大模型自動識別天文圖像中的天體，生成文字描述和星表。（圖源：山東大學畢明軒）
AI還將助力加速發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象和新規(guī)律。利用AI算法，有望高效地識別隱含在天文大數(shù)據(jù)中的趨勢和相關性。例如，利用AI算法可以快速識別與系外行星相關的微弱信號，從而找到與地球文明相似的智慧文明，這是根據(jù)德雷克方程推算出的銀河系中的潛在存在。這樣的發(fā)現(xiàn)將為我們揭示宇宙中的奧秘提供重要線索。
圖7.用來估算銀河系中類地外星文明的德雷克方程
除此之外，AI還將被廣泛應用于望遠鏡的自動化觀測，能夠?qū)崟r識別望遠鏡中感興趣的天體，并幫助確定進一步觀測的目標。這種自動化使天文學家能夠高效地監(jiān)測天空，并迅速響應瞬態(tài)事件。
我們期待在不久的將來能夠創(chuàng)造出比ChatGPT更加智能的天文AI模型，從而將天文學家從繁雜的數(shù)據(jù)處理任務中解放出來，使他們能夠更專注于科學研究。到那時，天文學家每天上班后的第一件事可能是邊喝著咖啡，邊聽著AI助手匯報工作，通過聲音、圖像或視頻，全方位獲取AI助手的分析結果。
讓我們共同期待這個美好時代的到來！
作者：衣振萍，山東大學副教授，碩士生導師，山東大學天文大數(shù)據(jù)團隊負責人。
本文選自《中國國家天文》2023年5月刊
責任編輯：胡惠雯
