日前發(fā)布的國(guó)家“十五五”規(guī)劃綱要對(duì)航天強(qiáng)國(guó)建設(shè)提出要求，其中深空探索作為航天技術(shù)的前沿陣地，承載著向更遠(yuǎn)宇宙進(jìn)發(fā)的重任。如今，我國(guó)科學(xué)家研發(fā)的AI天文觀(guān)測(cè)增強(qiáng)模型“星衍”（ASTERIS）成功突破天文觀(guān)測(cè)深度極限，大幅提升了空間天文臺(tái)詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡的探測(cè)能力。這項(xiàng)近日發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上的研究成果，讓人們看到了AI在天文領(lǐng)域的巨大潛力。今天，我們請(qǐng)知名科普作者張?zhí)锟眮?lái)說(shuō)說(shuō)“星衍”賦能深空探測(cè)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。
人類(lèi)如何“丈量”宇宙
現(xiàn)代人觀(guān)測(cè)宇宙主要通過(guò)四大核心手段：多波段電磁波探測(cè)（涵蓋光學(xué)、紅外、射電、X射線(xiàn)等）、引力波探測(cè)、宇宙射線(xiàn)與中微子探測(cè)，以及空間探測(cè)器原位探測(cè)。其中，依賴(lài)地面光學(xué)望遠(yuǎn)鏡、射電望遠(yuǎn)鏡、巨型望遠(yuǎn)鏡陣列（如“中國(guó)天眼”）和空間天文臺(tái)（如哈勃、韋布空間望遠(yuǎn)鏡），可實(shí)現(xiàn)對(duì)宇宙結(jié)構(gòu)、演化及極端物理過(guò)程的深入研究。
哈勃空間望遠(yuǎn)鏡（HST）作為光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的代表，由美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）和歐洲航天局（ESA）合作研發(fā)，1990年發(fā)射升空，運(yùn)行在約540千米高的地球軌道，配備2.4米主鏡，于可見(jiàn)光、紫外和近紅外波段工作。它是人類(lèi)歷史上最重要的科研儀器之一，其核心成果包括初步揭示宇宙膨脹速度、深空星系演化及黑洞等奧秘。
韋布空間望遠(yuǎn)鏡（JWST）是紅外與紫外望遠(yuǎn)鏡的代表，為哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的繼任者，由NASA、ESA和加拿大國(guó)家航天局聯(lián)合研發(fā)，主鏡口徑6.4米，觀(guān)測(cè)面積為哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的5倍以上。它于2021年12月發(fā)射，可在接近絕對(duì)零度（-273.15℃）的環(huán)境中運(yùn)行，最大貢獻(xiàn)是發(fā)現(xiàn)了距今135億年的宇宙最早星系（幾乎不含重元素）。
“中國(guó)天眼”（500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡）作為射電望遠(yuǎn)鏡的標(biāo)桿，自2020年投入使用以來(lái)，已發(fā)現(xiàn)900余顆新脈沖星（數(shù)量為國(guó)際同期其他望遠(yuǎn)鏡的3倍以上），并在納赫茲引力波、快速射電暴等領(lǐng)域取得一系列重要突破，能穿透星際塵埃研究遙遠(yuǎn)星系和脈沖星。
一個(gè)現(xiàn)實(shí)問(wèn)題是，空間望遠(yuǎn)鏡面對(duì)宇宙的深邃無(wú)底、邊界無(wú)垠，也存在深空觀(guān)測(cè)瓶頸，主要原因是硬件升級(jí)受阻、宇宙噪聲干擾、傳統(tǒng)降噪方法有局限。
AI三招助力深空觀(guān)測(cè)
在此背景下，中國(guó)研究人員將穿透宇宙“迷霧”的希望寄托于近年來(lái)快速發(fā)展的AI技術(shù)。中國(guó)工程院院士、清華大學(xué)自動(dòng)化系教授戴瓊海團(tuán)隊(duì)聯(lián)合清華大學(xué)天文系副教授蔡崢團(tuán)隊(duì)，研發(fā)出人工智能天文觀(guān)測(cè)增強(qiáng)模型“星衍”，如同一束強(qiáng)光照進(jìn)了天文觀(guān)測(cè)領(lǐng)域的模糊空間。
以哈勃空間望遠(yuǎn)鏡和韋布空間望遠(yuǎn)鏡為代表的天文觀(guān)測(cè)與研究，已積累并公開(kāi)了海量數(shù)據(jù)。中國(guó)研究團(tuán)隊(duì)用這些公開(kāi)數(shù)據(jù)“投喂”AI，為模型訓(xùn)練提供豐富的“養(yǎng)料”。同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新設(shè)計(jì)了“星衍”的核心算法：獨(dú)特的光度自適應(yīng)篩選機(jī)制。具體來(lái)說(shuō)，“星衍”不再將背景噪聲視為隨機(jī)干擾，而是對(duì)噪聲的漲落規(guī)律與星體本身的光度特征進(jìn)行聯(lián)合建模，引導(dǎo)AI專(zhuān)注于暗弱信號(hào)的提取與重建；首次采用“分時(shí)中位，全時(shí)平均”聯(lián)合優(yōu)化策略，通過(guò)中位數(shù)統(tǒng)計(jì)剔除宇宙射線(xiàn)等瞬態(tài)干擾，通過(guò)加權(quán)平均（一種統(tǒng)計(jì)方法）最大化暗弱信號(hào)的信噪比；建立全新的天文學(xué)AI評(píng)價(jià)體系，以“探測(cè)能力、形態(tài)保真、測(cè)光準(zhǔn)確”為核心評(píng)價(jià)指標(biāo)，將深空?qǐng)D像重構(gòu)為時(shí)、空、光交織的三維體，既提升深度又保證數(shù)據(jù)嚴(yán)謹(jǐn)。
研究團(tuán)隊(duì)還為“星衍”設(shè)定了目標(biāo)——區(qū)分正確信號(hào)和周邊噪聲，并在算法加持下，為其“投喂”足夠的空間圖像數(shù)據(jù)，進(jìn)一步強(qiáng)化模型的算力。最終，“星衍”對(duì)信號(hào)與噪聲的理解展現(xiàn)出驚人的能力：探測(cè)暗弱天體的完備度提升1.0個(gè)星等、探測(cè)準(zhǔn)確度提升1.6個(gè)星等。星等是天體亮度的衡量標(biāo)準(zhǔn)，通常指“視星等”，即從地球上所見(jiàn)天體的亮度，數(shù)值越低，星體越亮。
探測(cè)深度提升1.0個(gè)星等，這相當(dāng)于把韋布空間望遠(yuǎn)鏡的等效口徑從6.4米拓展至近10米量級(jí)。如果韋布空間望遠(yuǎn)鏡之前能看到位于宇宙邊緣一個(gè)10瓦的燈泡，現(xiàn)在有了“星衍”的助力，便能看到一個(gè)3-4瓦的燈泡。依靠這一技術(shù)的突破，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)的極暗弱高紅移候選天體數(shù)量是以往研究的3倍。高紅移星系是宇宙大爆炸后不久（如3億-4億年）形成的“嬰兒”星系，完整保留著宇宙早期的恒星形成特征。觀(guān)測(cè)它們，可為理解“宇宙如何誕生”這一核心難題提供全新的科學(xué)依據(jù)。
“AI+天文”為科研提供全新范式
“星衍”取得的成果遠(yuǎn)不止于此。依托“星衍”，研究人員成功繪制出目前人類(lèi)所能觀(guān)測(cè)到的最深邃、最暗弱的早期極致深空星系圖像——這些星系距離地球超過(guò)130億光年，承載著宇宙誕生初期的原始數(shù)據(jù)與影像。作為當(dāng)前國(guó)際上已知探測(cè)深度最深的深空影像，它們將為人類(lèi)探索宇宙黎明時(shí)代的星系起源提供全新的關(guān)鍵數(shù)據(jù)支撐。
“星衍”的另一大核心優(yōu)勢(shì)在于其強(qiáng)大的泛化能力。作為一種融合時(shí)間、空間、光度的多維智能學(xué)習(xí)方法，它無(wú)需依賴(lài)人工標(biāo)注，僅通過(guò)已有的天文觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)就能完成訓(xùn)練，這一特性使其能夠輕松跨越不同觀(guān)測(cè)平臺(tái)與探測(cè)波段。它能夠兼容多種探測(cè)設(shè)備，成為通用型數(shù)據(jù)增強(qiáng)平臺(tái)，除了深空探測(cè)之外，還適用于遙感、星地通信、態(tài)勢(shì)感知等多個(gè)領(lǐng)域。
總之，“星衍”的誕生為中國(guó)深空探測(cè)提供了重要思路：在硬件研發(fā)不斷突破的同時(shí)，AI等智能技術(shù)可成為低成本、高效率的提升路徑。這種“AI+天文”的交叉模式，為基礎(chǔ)科研提供了全新范式：無(wú)需依賴(lài)昂貴的硬件升級(jí)，通過(guò)算法創(chuàng)新即可突破觀(guān)測(cè)極限。
編輯：李華山
