看人工智能如何發(fā)現(xiàn)夜空中最亮的星

尋找暗物質(zhì)，機(jī)器比人的眼神好。近期《計(jì)算天體物理學(xué)和宇宙學(xué)》發(fā)表的一篇論文顯示，美國勞倫茲伯克利國家實(shí)驗(yàn)室（以下簡稱“伯克利實(shí)驗(yàn)室”）等機(jī)構(gòu)共同研制的深度學(xué)習(xí)AI框架，能夠探尋宇宙里暗物質(zhì)的跡象。

　　近幾年，人工智能越來越多應(yīng)用于天文學(xué)研究。深度學(xué)習(xí)需要海量數(shù)據(jù)，而天文學(xué)正是AI大顯身手的領(lǐng)域。機(jī)器可以替人類從茫茫大海里撈針，捕捉到新的恒星、新的地外行星甚至暗物質(zhì)。

　　辨認(rèn)“引力透鏡”，AI立功了

　　尋找“引力透鏡”是研究暗物質(zhì)分布的基本方法。巨大質(zhì)量的物體會(huì)像透鏡一樣扭曲路過的光線，找出這種扭曲就能捕捉到不發(fā)光的質(zhì)量物。

　　論文顯示，伯克利實(shí)驗(yàn)室建立的深度學(xué)習(xí)AI框架CosmoGAN，可以分析引力透鏡與暗物質(zhì)的關(guān)聯(lián)。它可以創(chuàng)建高保真、弱引力透鏡收斂圖。

　　曾幾何時(shí)，尋找“引力透鏡”所需的模擬和數(shù)據(jù)處理很麻煩。20名科學(xué)家花費(fèi)了好幾個(gè)月的時(shí)間只能查看一小塊空間圖像。物理模擬需要數(shù)十億個(gè)計(jì)算小時(shí)，占用數(shù)兆字節(jié)的磁盤空間。

　　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)步提供了機(jī)會(huì)。伯克利實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)引入一種“生成性對抗網(wǎng)絡(luò)（GANs）”。研究者穆斯塔法說：“也有別的深度學(xué)習(xí)方法可以從許多圖像中得到收斂圖，但與競爭方法相比，GANs生成非常高分辨率的圖像，同時(shí)仍有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的高效率?！?

　　現(xiàn)在，天文學(xué)家可以用CosmoGAN分析大得多的天區(qū)，速度也更快。

　　CosmoGAN不是*取得進(jìn)展的天文學(xué)深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。比如多倫多大學(xué)利用深度學(xué)習(xí)技術(shù)解析月球隕石坑的衛(wèi)星圖像，P8超級計(jì)算機(jī)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在僅僅幾個(gè)小時(shí)內(nèi)發(fā)現(xiàn)6000個(gè)新的隕石坑，是過去幾十年中人類發(fā)現(xiàn)隕石坑數(shù)量的2倍。伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校利用深度學(xué)習(xí)來探測和分析黑洞碰撞的引力波。AI在天文學(xué)遍地開花。

　　數(shù)據(jù)太多，沒機(jī)器玩不轉(zhuǎn)

　　過去幾年里，天文領(lǐng)域的大多數(shù)方向都在嘗試使用人工智能?？紤]到天文學(xué)要處理的數(shù)據(jù)之多，這是一個(gè)很自然的思路。讓機(jī)器練習(xí)去分析蛛絲馬跡，不如此，未來的天文學(xué)將無法運(yùn)轉(zhuǎn)。

　　不久前舉辦的2019年GPU技術(shù)大會(huì)吸引了全世界的人工智能學(xué)者。大會(huì)請來加州大學(xué)圣克魯茲分校的天文學(xué)家布蘭特·羅伯特森演講，他指出：“天文學(xué)正在一場新的數(shù)據(jù)革命的風(fēng)口”。羅伯特森認(rèn)為，新一代天文儀器必須配合由深度學(xué)習(xí)驅(qū)動(dòng)的新一代軟件。

　　比如預(yù)計(jì)在3年后運(yùn)行的大口徑全天巡視望遠(yuǎn)鏡（LSST）。它巡視南天那一半宇宙中的370億個(gè)星系，生成一部時(shí)長十年的不間斷視頻。LSST配備的是32億像素的相機(jī)，每晚產(chǎn)生25TB的數(shù)據(jù)，相當(dāng)于現(xiàn)在先進(jìn)天文望遠(yuǎn)鏡一生貢獻(xiàn)的所有數(shù)據(jù)。

　　再比如平方公里陣列射電望遠(yuǎn)鏡（SKA）。它遍布全球，一部分天線在非洲南部8國部署，還有100多萬天線位于澳大利亞和新西蘭。它的原始數(shù)據(jù)每天達(dá)到5千個(gè)PB，處理后也有50個(gè)PB左右。

　　“暗能量巡天”編制幾億個(gè)星系的星圖；“蓋亞”衛(wèi)星測繪銀河系數(shù)十億恒星；“茲威基”項(xiàng)目每小時(shí)能夠掃描3750平方度的天區(qū)。在中國，F(xiàn)AST每天的數(shù)據(jù)量將達(dá)150TB；郭守敬望遠(yuǎn)鏡觀測了901萬條光譜，是世界上*大的天體光譜庫……

　　捕捉人類看不出的模式

　　數(shù)據(jù)越來越多，科學(xué)家試圖聚合它們。但在GPU大會(huì)上，羅伯特森說，未來幾個(gè)大型天文望遠(yuǎn)鏡一起產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，聚合之后復(fù)雜到人類無法直接利用。而加州大學(xué)圣克魯斯分校的科學(xué)家試圖解決這個(gè)問題。計(jì)算機(jī)科學(xué)系一名博士生創(chuàng)建的Morpheus深度學(xué)習(xí)框架，可以基于望遠(yuǎn)鏡的原始數(shù)據(jù)，逐像素地分類天體。

　　加州大學(xué)圣克魯茲分校的科學(xué)家們還用AI更好地研究星系的形成。在他們2019年初發(fā)表的一項(xiàng)研究中，科學(xué)家用計(jì)算機(jī)模擬的星系訓(xùn)練計(jì)算機(jī)，讓它學(xué)習(xí)星系演化的三個(gè)關(guān)鍵階段。后來計(jì)算機(jī)分析來自哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的星系圖像，表現(xiàn)出奇好。

　　人工智能應(yīng)用于人臉識(shí)別，在海量數(shù)據(jù)訓(xùn)練后，可以根據(jù)一張照片，認(rèn)出這個(gè)人化妝和年老時(shí)候的樣子。而宇宙中很多圖像也可用同樣的方法來歸類。

　　“深度學(xué)習(xí)可以尋找模式，機(jī)器能看到非常復(fù)雜的模式，而人類看不到?！眳⑴c研究的科學(xué)家大衛(wèi)·庫說，“我們希望進(jìn)一步測試這種方法。在概念驗(yàn)證研究中，機(jī)器似乎成功地在數(shù)據(jù)中找到了模擬中確定的星系演化的不同階段?！?

　　幫天文學(xué)家找到另一個(gè)太陽系

　　2018年底的一篇報(bào)道顯示，谷歌人工智能發(fā)力，從開普勒系外行星觀測數(shù)據(jù)庫里找到了新的行星。行星是很難尋找的。位于太空的開普勒衛(wèi)星觀察145000顆類似太陽的恒星，從恒星亮度微弱變化來發(fā)現(xiàn)行星。記錄4年的數(shù)據(jù)中，包括大約35000個(gè)疑似的行星記錄。天文學(xué)家用機(jī)器結(jié)合人眼來識(shí)別，但*暗*弱的信號常被忽略。

　　在谷歌AI的幫助下，我們發(fā)現(xiàn)了開普勒90i和開普勒80g兩顆新行星。也讓開普勒90被確認(rèn)為第一個(gè)至少擁有8顆行星的外星系。

　　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和機(jī)器學(xué)習(xí)處理了140億個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，之后成功篩選出了候選者。

　　NASA和谷歌說，未來新技術(shù)將找到更多系外行星。NASA還表示不用擔(dān)心天文學(xué)家失業(yè)。NASA的科學(xué)家杰西·道特森解釋表示，數(shù)據(jù)提供給神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之前，需要天文學(xué)家進(jìn)行分類，以便人工智能可以從中學(xué)習(xí)分析出新的信息。

　　道特森說：“AI以后*會(huì)和天文學(xué)家一起工作，成為必不可少的工具?！?

　　當(dāng)然，機(jī)器學(xué)習(xí)也帶來“黑盒子”風(fēng)險(xiǎn)：我們得到了答案，但我們不知道機(jī)器為何如此判斷，或許答案是錯(cuò)的。機(jī)器也會(huì)犯錯(cuò)。天文學(xué)家將繼續(xù)訓(xùn)練和適應(yīng)它。