之江實(shí)驗(yàn)室上演AI“追星記”
在貴州平塘，被稱為“中國天眼”的500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡(FAST)，夜以繼日地接收宇宙幽深處的射電信號(hào)。每秒生成的科學(xué)觀測數(shù)據(jù)規(guī)模約為1.6吉字節(jié)(GB)，一年的可公開觀測數(shù)據(jù)大約為20拍字節(jié)(PB)。
在距FAST約1700公里的浙江杭州，之江實(shí)驗(yàn)室天文計(jì)算研究中心正開展AI尋星算法研究，對(duì)FAST捕獲的海量數(shù)據(jù)“壓縮提純”，從中辨析有用信號(hào)，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)新的天體蹤跡或天文現(xiàn)象。
前不久，之江實(shí)驗(yàn)室天文計(jì)算研究中心科研團(tuán)隊(duì)通過分析處理FAST約50太字節(jié)(TB)的觀測數(shù)據(jù)，在球狀星團(tuán)M15中發(fā)現(xiàn)了自轉(zhuǎn)周期分別為1.9秒和3.9秒的兩顆長周期脈沖星，分別命名為M15K和M15L。其中，M15L是迄今發(fā)現(xiàn)的球狀星團(tuán)中自轉(zhuǎn)周期最長的脈沖星。相關(guān)論文發(fā)表于《中國科學(xué)：物理學(xué) 力學(xué) 天文學(xué)》。
巧用自研算法 “提純”天文信號(hào)
仰望夜空，星河璀璨。然而，天文儀器“看”到的景象卻并不浪漫——電波信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)化處理后，往往呈現(xiàn)為枯燥抽象的光斑或線條圖案。
比如射電望遠(yuǎn)鏡，其結(jié)構(gòu)包括定向天線、高靈敏度接收機(jī)、信息顯示系統(tǒng)等，可測量天體射電波的強(qiáng)度、頻譜及偏振等信息。在觀測狀態(tài)下，它好比一臺(tái)常年開啟的錄像機(jī)，默默記錄著宇宙的奧秘。2021年10月，之江實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合中國科學(xué)院國家天文臺(tái)，共同打造了天文智能計(jì)算平臺(tái)FAST@ZJLAB，并組建智能計(jì)算天文團(tuán)隊(duì)。
基于FAST@ZJLAB，之江實(shí)驗(yàn)室科研人員將目標(biāo)識(shí)別、語義分割等AI算法與天文信號(hào)處理理論相結(jié)合，研發(fā)了一系列深度學(xué)習(xí)模型，大幅提升了快速射電暴和脈沖星信號(hào)的篩選效率。
“FAST接收信號(hào)后會(huì)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，相當(dāng)于將視頻導(dǎo)入剪輯軟件。”之江實(shí)驗(yàn)室天文計(jì)算研究中心高級(jí)工程專家陳華曦介紹，“不過，信號(hào)內(nèi)容大多相當(dāng)于環(huán)境噪音，真正可用的很有限。”
從原始觀測數(shù)據(jù)到最終證認(rèn)出脈沖星，要經(jīng)歷消色散、參數(shù)設(shè)定、消干擾、去紅噪聲、周期搜索、候選體篩選、交叉驗(yàn)證、計(jì)時(shí)分析等若干步驟，涉及大量數(shù)據(jù)處理工作以及對(duì)計(jì)算資源的消耗。
“候選體篩選環(huán)節(jié)尤其耗時(shí)耗力。”陳華曦說，在經(jīng)過參數(shù)估計(jì)、折疊算法進(jìn)行搜索后，會(huì)得到大量候選體結(jié)果圖，研究人員要靠肉眼識(shí)別結(jié)果圖是否符合脈沖星的信號(hào)特征。
“一個(gè)小時(shí)的觀測可能有數(shù)萬張候選體圖片，要從這么多圖片中分辨出非常微弱的信號(hào)很難。”論文第一作者、之江實(shí)驗(yàn)室天文計(jì)算研究中心研究專員周登科說，利用天文計(jì)算研究中心自研的AI視覺模型，能對(duì)候選體信息進(jìn)行高效篩選，可將需要人工介入篩選的候選體數(shù)量降低3個(gè)數(shù)量級(jí)。
煉得“金剛鉆” 敢攬“瓷器活”
脈沖星，即快速旋轉(zhuǎn)的中子星，會(huì)沿著磁軸的方向?qū)ν庖噪姶挪ㄊ男问捷椛淠芰俊{借脈沖星的諸多特性，科學(xué)家嘗試將其作為宇宙探針，探測銀河系中星際介質(zhì)的分布和密度、磁場分布與強(qiáng)度等，從而逐步構(gòu)建“宇宙導(dǎo)航系統(tǒng)”。
最近一年，之江實(shí)驗(yàn)室天文計(jì)算研究中心基于FAST的觀測數(shù)據(jù)共發(fā)現(xiàn)了31顆脈沖星，其中包括15顆長周期脈沖星。
基于前期建設(shè)基礎(chǔ)，之江實(shí)驗(yàn)室天文計(jì)算研究中心目前已有上百名研究人員，其中天文方向約30人，計(jì)算方向約90人。
這個(gè)研究團(tuán)隊(duì)煉得了“金剛鉆”，敢攬“瓷器活”。該團(tuán)隊(duì)曾僅用170小時(shí)完成約172TB數(shù)據(jù)的處理，相當(dāng)于每小時(shí)速覽1024部容量為1GB的電影。
“如果把Presto等開源算法比作鋤頭，中心自研的AI算法相當(dāng)于大型機(jī)械化工具。”陳華曦說，二者并非替代關(guān)系，而是互補(bǔ)關(guān)系。開發(fā)更多算法，有益于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理，催生更多天文發(fā)現(xiàn)。
周登科表示，天文領(lǐng)域數(shù)據(jù)量巨大，處理起來非常耗時(shí)。利用AI算法等智能計(jì)算技術(shù)輔助處理數(shù)據(jù)，可以讓研究人員從繁重的數(shù)據(jù)分析中解放出來，將更多精力投入到理解數(shù)據(jù)背后的物理圖像中，大大提高科研效率。
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