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太空探索拥有无限可能:大数据介入天文学

2018-07-06 17:50外星探索
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ALMA的森田阵列。截止2018年4月,利用ALMA的数据已经产生了1000篇通过同行审议的论文。| 图片来源:ALMA

  数据大爆炸

  已有的天文学数据档案已经非常庞大了,但我们即将迎来的会是更加爆炸式的情况。

  无论是因为技术改进的原因,还是因为天文学任务变得更大,每一代的天文台通常至少比之前的要灵敏10倍。根据新任务运行的时间长短,它在同一波段能探测到的天体源的数量,是此前任务的数百倍。

  例如,将早期的EGRET伽玛射线天文台(于1990年代升空)与NASA的一流任务Fermi伽玛射线空间望远镜(于10年前发射)相比, EGRET仅在天空中探测到约190个伽马射线源,而Fermi的探测数量已经超过5000个。

  正在智利建设中的大型综合巡天望远镜(LSST)是一种光学望远镜,它将每隔几夜就对整个天空进行拍摄。届时,它极高的灵敏度,能在每晚产生大约一千万条警报,从而在10年后产生的目录数据大小超过15PB(1PB = 1000TB)。

  当平方公里阵(SKA)在2020年建成之后,将成为世界上最灵敏的望远镜,足以探测到建立在距离地球50光年远的外星文明上的机场雷达站。只需短短的一年,它就能产生比现在整个互联网还多的数据。

  这些雄心勃勃的项目将考验科学家处理数据的能力。图像需要可以被自动化处理——这意味着数据需要被减小到易操控的大小、或直接转变成成品。新的天文台正在推进计算能力的边界,它需要的是每天能处理数百TB数据的设施。

  解锁新科学

  数据洪流将使天文学变得比以往任何时候都具有协作性和开放性。由于互联网档案、强大的学习社区和新的推广计划的存在,现在公民都有机会参与科学。例如,通过电脑程序Einstein@Home[3],任何人都可以用自己的电脑在空闲时间内帮助科学家从合并的黑洞中搜寻引力波。

  对科学家来说,这也是一个令人激动人心的时刻。天文学家经常从事的工作是,在宽广到超出人类生命长度的时间尺度上,研究那些无法在“真实”时间中发生的物理现象。像典型的银河合并事件可能需要数亿的时间年。而我们所能捕捉到的只是一个瞬间,就像车祸视频中被截取的某一帧。

  但是,也有一些现象会出现在更短的时间尺度内,它们仅需几十年、几年甚至几秒钟的时间就可以发生。这也是为什么科学家能够在新的研究中发现一大群的黑洞的原因。

  马里兰大学的物理学助理教授Eileen Meyer在她的研究中,利用哈勃档案的数据制作了与“喷流”有关的动态视频(喷流是从黑洞中喷射出的高速等离子束)。她用超过400张、时间跨度为13年的原始影像,将附近星系M87的喷流制作成视频。这一视频首次显示了等离子体的扭摆运动,表明了喷流具有螺旋结构。

ALMA的森田阵列。截止2018年4月,利用ALMA的数据已经产生了1000篇通过同行审议的论文。| 图片来源:ALMA

  而这项研究之所以成为可能,完全得益于在更早的时候,别的观测者出于其它目的对她所感兴趣的天体进行了拍摄这一事实。随着天文图像变得越来越大、分辨率越来越高、越来越灵敏,这种研究将会成为常态。

  数据天文学不只是为了寻找彗星、小行星,它可以帮助研究者们寻找遥远的、适合生命生存的行星,或是寻找一些宇宙中最远古星体的线索。当前天文数据正变得更加开放、更易理解,天文学界的范畴随着电脑技术的介入而不断扩大。或许将来我们会在那些旧数据中会找到更多有趣、重大的天文发现。

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