清華大學(xué)自動(dòng)化系成像與智能技術(shù)實(shí)驗(yàn)室戴瓊海院士團(tuán)隊(duì)與天文系蔡崢副教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)多學(xué)科交叉研究，提出AI天文觀(guān)測(cè)增強(qiáng)模型“星衍”(ASTERIS)，突破天文觀(guān)測(cè)深度極限，將詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡探測(cè)深度提升1個(gè)星等，找到的極暗弱高紅移候選天體是過(guò)往研究的3倍，繪制出迄今最深邃的極致深空星系圖像。相關(guān)研究成果日前以長(zhǎng)文形式發(fā)表于國(guó)際期刊《科學(xué)》。審稿人稱(chēng)贊其為：“杰出的工作與強(qiáng)大的工具”“會(huì)對(duì)天文領(lǐng)域產(chǎn)生重要的影響”。
探索宇宙中最遙遠(yuǎn)、最暗弱的天體一直是人類(lèi)的終極追求之一。這些天體蘊(yùn)藏著理解宇宙起源與演化的關(guān)鍵信息。為了這一追求，人們不斷增大望遠(yuǎn)鏡的鏡面尺寸，提升傳感器的工藝性能，將最強(qiáng)大的觀(guān)測(cè)儀器發(fā)射至遙遠(yuǎn)的太空。但隨著不斷增加的投入和不斷增長(zhǎng)的時(shí)間周期，傳統(tǒng)物理維度的硬件堆砌模式，已面臨邊際效應(yīng)帶來(lái)的增長(zhǎng)瓶頸。
此外，明亮的天光背景噪聲（太陽(yáng)系黃道光散射、銀河系漫射光、未分辨的河外背景光）與望遠(yuǎn)鏡自身的熱輻射噪聲疊加，形成了天文觀(guān)測(cè)領(lǐng)域上空的一朵“烏云”，遮擋了暗弱的星光。更為復(fù)雜的是，這些噪聲讓傳統(tǒng)方法在面對(duì)極暗弱信號(hào)時(shí)力有不逮。
多年來(lái)，團(tuán)隊(duì)始終聚焦觀(guān)測(cè)天文學(xué)的核心物理挑戰(zhàn)，不斷突破探測(cè)極限。通過(guò)計(jì)算光學(xué)原理與人工智能算法的深度耦合，團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)海量觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的多維解譯。這些技術(shù)沉淀最終孕育出“星衍”——它將深空?qǐng)D像重構(gòu)為時(shí)空光交織的三維體，像在一塊璞玉中精細(xì)雕琢出隱藏的紋路。
“‘星衍’的核心，在于獨(dú)特的光度自適應(yīng)篩選機(jī)制?！眻F(tuán)隊(duì)成員介紹，它不再單純將背景噪聲視為隨機(jī)干擾，而是對(duì)噪聲的漲落與星體本身的光度進(jìn)行聯(lián)合建模，“這個(gè)機(jī)制引導(dǎo)模型專(zhuān)注于對(duì)暗弱信號(hào)的提取與重建”。
此外，即使信號(hào)極其暗弱，“星衍”也能直接利用帶有真實(shí)噪聲的海量真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，可高保真地還原目標(biāo)信號(hào)。
團(tuán)隊(duì)成員介紹，利用AI模型“解碼”天文數(shù)據(jù)的過(guò)往研究并不少，卻多沿用計(jì)算機(jī)視覺(jué)領(lǐng)域的通用指標(biāo)衡量性能。這些指標(biāo)往往易將模型導(dǎo)向一種誤區(qū)：數(shù)據(jù)變得干凈平滑，實(shí)則磨平了極暗弱信號(hào)，甚至改變了天體形態(tài)。
團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一套基于天文科學(xué)的AI評(píng)價(jià)方法，摒棄單純的視覺(jué)效果提升，以探測(cè)能力、形態(tài)保真、光度保持等為核心評(píng)價(jià)指標(biāo)，以科學(xué)需求引導(dǎo)“星衍”的架構(gòu)設(shè)計(jì)。
“星衍”在增加探測(cè)深度的同時(shí)，還著力確保了探測(cè)的準(zhǔn)確性。模型首次采用了“分時(shí)中位，全時(shí)平均”聯(lián)合優(yōu)化策略?！斑@一雙重機(jī)制顯著提升了探測(cè)暗弱信號(hào)的能力，也同時(shí)降低了虛假信號(hào)的產(chǎn)生概率，保證了天文數(shù)據(jù)的科學(xué)性。”團(tuán)隊(duì)成員說(shuō)。
在詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)上，“星衍”展現(xiàn)了驚人的效果：將探測(cè)暗弱天體的完備度提升了整整1.0個(gè)星等，并將探測(cè)的準(zhǔn)確度提升了1.6個(gè)星等。
“星等”是天文學(xué)家為天體亮度劃分的等級(jí)，數(shù)值越大，天體越暗?！斑@相當(dāng)于將望遠(yuǎn)鏡的光子收集效率提升了近一個(gè)數(shù)量級(jí)?！眻F(tuán)隊(duì)成員介紹，這一突破為研究極端暗弱天體打開(kāi)了新的窗口。
依托這一技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)在詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡的深度觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)中，發(fā)現(xiàn)了超過(guò)160個(gè)宇宙早期的候選高紅移星系，數(shù)量是先前發(fā)現(xiàn)的3倍。這些星系存在于宇宙大爆炸后僅2至5億年的“宇宙黎明”時(shí)代，它們的發(fā)現(xiàn)使人類(lèi)得以繪制出目前最深邃、暗弱的早期星系光度函數(shù)，為理解宇宙第一縷曙光的誕生提供了全新數(shù)據(jù)。
據(jù)介紹，“星衍”還能夠輕松跨越不同觀(guān)測(cè)平臺(tái)和探測(cè)波段。目前，“星衍”已成功應(yīng)用于詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡和昴星團(tuán)地面望遠(yuǎn)鏡，覆蓋的波段范圍從可見(jiàn)光（約500納米）延伸到中紅外（5微米）。這標(biāo)志著它不僅能解碼空間望遠(yuǎn)鏡的尖端數(shù)據(jù)，更可兼容多元探測(cè)設(shè)備，成為通用的深空數(shù)據(jù)增強(qiáng)平臺(tái)，為人類(lèi)探尋宇宙的“巨眼”植入AI大腦。
編輯：李華山
