之江實驗室上演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鏡(FAST)，夜以繼日地接收宇宙幽深處的射電信號。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，之江實驗室天文計算研究中心正開展AI尋星算法研究，對FAST捕獲的海量數(shù)據(jù)“壓縮提純”，從中辨析有用信號，進而發(fā)現(xiàn)新的天體蹤跡或天文現(xiàn)象。
前不久，之江實驗室天文計算研究中心科研團隊通過分析處理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
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。
比如射電望遠鏡，其結(jié)構(gòu)包括定向天線、高靈敏度接收機、信息顯示系統(tǒng)等，可測量天體射電波的強度、頻譜及偏振等信息。在觀測狀態(tài)下，它好比一臺常年開啟的錄像機，默默記錄著宇宙的奧秘。2021年10月，之江實驗室聯(lián)合中國科學(xué)院國家天文臺，共同打造了天文智能計算平臺FAST@ZJLAB，并組建智能計算天文團隊。
基于FAST@ZJLAB，之江實驗室科研人員將目標(biāo)識別、語義分割等AI算法與天文信號處理理論相結(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的篩選效率。
“FAST接收信號后會進行轉(zhuǎn)換，相當(dāng)于將視頻導(dǎo)入剪輯軟件。”之江實驗室天文計算研究中心高級工程專家陳華曦介紹，“不過，信號內(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、交叉驗證、計時分析等若干步驟，涉及大量數(shù)據(jù)處理工作以及對計算資源的消耗。
“候選體篩選環(huán)節(jié)尤其耗時耗力。”陳華曦說，在經(jīng)過參數(shù)估計、折疊算法進行搜索后，會得到大量候選體結(jié)果圖，研究人員要靠肉眼識別結(jié)果圖是否符合脈沖星的信號特征。
“一個小時的觀測可能有數(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很難。”論文第一作者、之江實驗室天文計算研究中心研究專員周登科說，利用天文計算研究中心自研的AI視覺模型，能對候選體信息進行高效篩選，可將需要人工介入篩選的候選體數(shù)量降低3個數(shù)量級。
煉得“金剛鉆” 敢攬“瓷器活”
脈沖星，即快速旋轉(zhuǎn)的中子星，會沿著磁軸的方向?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、磁場分布與強度等，從而逐步構(gòu)建“宇宙導(dǎo)航系統(tǒng)”。
最近一年，之江實驗室天文計算研究中心基于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)，之江實驗室天文計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，計算方向約90人。
這個研究團隊煉得了“金剛鉆”，敢攬“瓷器活”。該團隊曾僅用170小時完成約172TB數(shù)據(jù)的處理，相當(dāng)于每小時速覽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)于大型機械化工具。”陳華曦說，二者并非替代關(guān)系，而是互補關(guān)系。開發(fā)更多算法，有益于對數(shù)據(jù)進行綜合處理，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。利用AI算法等智能計算技術(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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