快速射電暴（FRB）是近年來與引力波同樣熱門的天文學(xué)研究對(duì)象，是一類瞬時(shí)亮度超過太陽(yáng)上億倍的超常射電爆發(fā)。它們能在比你眨眼快一百倍的時(shí)間內(nèi)，完成一次極高的能量釋放。如何高效而精準(zhǔn)地捕捉這些神秘的信號(hào)？中國(guó)科學(xué)家引入機(jī)器學(xué)習(xí)算法，從5.6億個(gè)疑似信號(hào)中找到81個(gè)快速射電暴候選體。
這是中科院紫金山天文臺(tái)與中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、上海交通大學(xué)、貴州師范學(xué)院，以及澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織、西悉尼大學(xué)、西澳大學(xué)等開展中澳合作項(xiàng)目的研究成果，近期在英國(guó)《皇家天文學(xué)會(huì)月刊》在線發(fā)表。
快速射電暴：來自遙遠(yuǎn)宇宙的神秘電波
本篇論文的通訊作者、中澳天文聯(lián)合研究中心ACAMAR博士后張松波告訴記者，快速射電暴（FRB）是近年來與引力波同樣熱門的天文學(xué)研究對(duì)象。它們能在比你眨眼快一百倍的時(shí)間內(nèi)，完成一次極高的能量釋放，瞬時(shí)亮度超過太陽(yáng)上億倍。
這種來自于遙遠(yuǎn)宇宙的神秘電波，究竟來自什么樣的天體？這激發(fā)了眾多天文學(xué)家的興趣。
張松波說，自2007年第一起快速射電暴被發(fā)現(xiàn)以來，經(jīng)過十多年研究，科學(xué)家取得了相當(dāng)多的觀測(cè)突破，包括發(fā)現(xiàn)了可重復(fù)的快速射電暴，確定大部分快速射電暴是來自銀河系外，并觀測(cè)到了第一次銀河系內(nèi)的快速射電暴等。
“快速射電暴的研究難點(diǎn)就在于‘快速’二字，它的持續(xù)時(shí)間一般從微秒到毫秒量級(jí)，在一片漆黑的天空當(dāng)中突然出現(xiàn)又快速消失，因此無論是在數(shù)據(jù)中找到這些信號(hào)，還是對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行深入分析，都非常困難。”張松波說，隨著望遠(yuǎn)鏡技術(shù)的發(fā)展，被探測(cè)到的快速射電暴的樣本數(shù)量也從大大提升，目前為止已經(jīng)有數(shù)百例快速射電暴信號(hào)被發(fā)現(xiàn)。但是，迄今為止，快速射電暴的起源和爆發(fā)機(jī)制依然是未解之謎。
對(duì)快速射電暴進(jìn)行“人口普查”
記者了解到，中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)高能時(shí)域天文研究團(tuán)組最近幾年開展快速射電暴研究，已經(jīng)完成的主要工作之一是利用帕克斯望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)數(shù)據(jù)，構(gòu)建了一個(gè)完整的單脈沖數(shù)據(jù)庫(kù)。該數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)包含了5.6億個(gè)信噪比大于7的單脈沖疑似信號(hào)。
“由于疑似信號(hào)中摻雜著大量的噪聲和人造信號(hào)。那些比較明亮的真正的快速射電暴，因?yàn)橹眯哦雀撸靡詢?yōu)先被挑出來。但剩下的信號(hào)，按照傳統(tǒng)的方法，只能由有經(jīng)驗(yàn)的天文學(xué)家用肉眼來識(shí)別。”張松波說，這顯然是一項(xiàng)不可能完成的任務(wù)，每天能看三萬(wàn)張圖像，要看完5.6億個(gè)疑似信號(hào)也需要50年無休。
面對(duì)大數(shù)據(jù)挑戰(zhàn)，就需要建設(shè)一套方法，讓真正有價(jià)值的數(shù)據(jù)被篩選和記錄下來。這時(shí)候，AI登場(chǎng)了。
機(jī)器識(shí)別如何“代替”人眼“大海撈針”？
張松波及其所在的紫金山天文臺(tái)高能時(shí)域天文團(tuán)組博士研究生楊軒、孫天瑞等人引入機(jī)器學(xué)習(xí)算法，訓(xùn)練殘差神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)所有信號(hào)進(jìn)行圖像識(shí)別，開發(fā)出了一套能對(duì)所有候選體信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)一、高效的篩選機(jī)制，并將之應(yīng)用到了基于帕克斯望遠(yuǎn)鏡數(shù)據(jù)構(gòu)建的單脈沖數(shù)據(jù)庫(kù)中。
楊軒解釋說，機(jī)器學(xué)習(xí)中的殘差神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)變種，它模擬最基本的生物神經(jīng)元，將接收到的信號(hào)進(jìn)行分析，并判別信號(hào)的種類，就如同人眼一般。“而天文學(xué)家需要做的，就是手動(dòng)標(biāo)記一批信號(hào)，作為機(jī)器的教科書，教導(dǎo)他們哪些信號(hào)是假信號(hào)，哪些信號(hào)是快速射電暴。一旦教學(xué)完成，機(jī)器就可以代替人眼來對(duì)這些信號(hào)圖片進(jìn)行識(shí)別了。”
打了個(gè)比方，就好比在日常生活中經(jīng)常需要進(jìn)行“人臉識(shí)別”，這其中就用到了機(jī)器學(xué)習(xí)方法。天文學(xué)家的工作就相當(dāng)于要訓(xùn)練一個(gè)能從5億多只的狗群里把幾只貓?zhí)舫鰜淼臋C(jī)器。當(dāng)然，快速射電暴不管從形態(tài)上，還是訓(xùn)練樣本的收集上都比貓和狗要困難。
來源 視覺中國(guó)
篩選出81個(gè)新的快速射電暴候選體
最終，團(tuán)隊(duì)運(yùn)用訓(xùn)練好的模型，從數(shù)據(jù)庫(kù)里找出了81個(gè)新的快速射電暴候選體。“這次發(fā)現(xiàn)一次性增加了81例，不僅有了數(shù)量上的突破，并且解決了以往對(duì)于暗弱快速射電暴的搜尋難題。為大樣本，大數(shù)據(jù)難題下的數(shù)據(jù)處理問題提供了一個(gè)解決方法。”張松波說，如今全球正在建設(shè)更多、更大的新的射電望遠(yuǎn)鏡，中國(guó)500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST）、澳大利亞平方公里陣探路者望遠(yuǎn)鏡(ASKAP)，以及正在建設(shè)中的平方公里陣列望遠(yuǎn)鏡（SKA）都正在或即將展現(xiàn)更高的靈敏度，同時(shí)也將帶來更為驚人的數(shù)據(jù)量。
銀道坐標(biāo)系下帕克斯望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)天區(qū)的空間分布圖。橙色星號(hào)展示了81個(gè)快速射電暴候選體的分布
“未來的天文觀測(cè)必將是大數(shù)據(jù)的時(shí)代，人工智能則是最可行的解決方案。”張松波說，隨著望遠(yuǎn)鏡技術(shù)的不斷發(fā)展，我們接收宇宙中信號(hào)的能力越來越強(qiáng)，這意味著我們所得到的數(shù)據(jù)越來越多。而天文學(xué)中的很多信號(hào)往往具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，靠人為設(shè)置條件篩選已經(jīng)無法滿足日益增長(zhǎng)的海量數(shù)據(jù)。機(jī)器學(xué)習(xí)能夠從包含復(fù)雜干擾的圖片中找到來自宇宙的真實(shí)信號(hào)，極大地加速了的研究速度。
中國(guó)“天眼” 來源 視覺中國(guó)
該論文第一作者為楊軒，通訊作者是張松波和吳雪峰。此項(xiàng)工作得到了中澳合作項(xiàng)目ACAMAR博士后計(jì)劃，以及國(guó)家自然科學(xué)基金委杰出青年項(xiàng)目和FAST專項(xiàng)項(xiàng)目等基金資助。
揚(yáng)子晚報(bào)/紫牛新聞?dòng)浾?于丹丹
校對(duì) 李海慧
來源：紫牛新聞
