宇宙的凝望（該圖由Midjourney生成）
自古以來，人類對(duì)浩渺星空抱有無盡的遐想，不斷地邁向探索的征程。近年來，隨著科技的飛速發(fā)展，人類加快了對(duì)宇宙的探索步伐。通過運(yùn)用先進(jìn)的設(shè)備和技術(shù)，天文學(xué)家揭示了引力波、黑洞、暗物質(zhì)與暗能量等令人驚奇的現(xiàn)象，這極大地加深了我們對(duì)宇宙的認(rèn)知。
自2011年以來，人工智能（Artificial Intelligence，AI）技術(shù)經(jīng)歷了飛速發(fā)展，成功地跨越了科學(xué)與應(yīng)用之間的技術(shù)鴻溝，在圖像分類、語音識(shí)別、知識(shí)問答、無人駕駛等方面實(shí)現(xiàn)了重大的突破，進(jìn)入了蓬勃發(fā)展的時(shí)期。而在天文學(xué)領(lǐng)域，AI的應(yīng)用也在逐年加速增長(zhǎng)。通過對(duì)arXiv上涉及AI在天文研究方面的論文進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)從2013年的46篇增長(zhǎng)到2022年的2328篇，十年間增長(zhǎng)了50倍之多。
十年間發(fā)表在arxiv physics上的AI文章的數(shù)量（標(biāo)題中檢索machine learning, deep learning 或neural network關(guān)鍵詞的統(tǒng)計(jì)結(jié)果）
天文學(xué)已經(jīng)進(jìn)入了多波段、大樣本和高信息量的時(shí)代，望遠(yuǎn)鏡和其他觀測(cè)儀器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量成為真正的“天文數(shù)字”。AI技術(shù)在天文學(xué)中的應(yīng)用越來越廣泛，其算法從傳統(tǒng)機(jī)器學(xué)習(xí)發(fā)展到深度學(xué)習(xí)，分析任務(wù)從簡(jiǎn)單到復(fù)雜。隨著神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的不斷改進(jìn)，AI模型在特征提取和表征方面的能力顯著增強(qiáng)?，F(xiàn)在，我們已經(jīng)能夠通過測(cè)光圖像直接識(shí)別出非常暗的天體，例如低面亮度星系（如圖3所示）和L矮星（如圖4所示）。這些天體幾乎是在可見光圖像中能夠被辨識(shí)出的最暗的星系和恒星。
利用AI搜尋側(cè)向低面亮度星系（圖源：山東大學(xué) 邢永廣，衣振萍 ）
利用AI搜尋L矮星（圖源：山東大學(xué) 曹智，衣振萍）
ChatGPT的橫空出世標(biāo)志著AI的重大突破，被視為引發(fā)新一輪AI革命的里程碑。 ChatGPT是大模型和大數(shù)據(jù)相結(jié)合的成果。而在天文學(xué)領(lǐng)域，積累了海量的觀測(cè)數(shù)據(jù)，在算法和算力的支持下，天文學(xué)也將邁入AI革命的時(shí)代，很可能帶來顛覆性的變化。
建立的數(shù)據(jù)分析大模型可以從天文大數(shù)據(jù)中提取到更豐富、更準(zhǔn)確的信息。例如，可以直接從圖像中對(duì)各類天體進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)和分類，自動(dòng)融合多個(gè)波段的數(shù)據(jù)，提供可靠的天體屬性參數(shù)，并自動(dòng)生成統(tǒng)計(jì)圖表。
圖5展示了一個(gè)圖像描述（image caption）任務(wù)的框架，由卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）和循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RNN）構(gòu)成。該模型可以識(shí)別圖像中的對(duì)象，并用文字描述圖像內(nèi)容，即通過AI模型使計(jì)算機(jī)擁有 “看圖說話”的能力。這種任務(wù)涉及到圖像和描述文本兩種不同的信息模態(tài)，如何讓AI模型充分利用多模態(tài)信息并進(jìn)行交互，也是未來研究的一個(gè)趨勢(shì)。
一個(gè)圖像描述任務(wù)框架
借助圖像描述等技術(shù)，可以對(duì)天文圖像進(jìn)行自動(dòng)分析，并通過文字、圖像、語音等直接、友好的方式提供反饋結(jié)果。圖6展示了對(duì)暗能量相機(jī)遺珍巡天的一幅圖像自動(dòng)分析并生成文字反饋的示意圖。
AI還將助力加速發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象和新規(guī)律。利用AI算法，有望高效地識(shí)別隱含在天文大數(shù)據(jù)中的趨勢(shì)和相關(guān)性。例如，利用AI算法可以快速識(shí)別與系外行星相關(guān)的微弱信號(hào)，從而找到與地球文明相似的智慧文明，這是根據(jù)德雷克方程推算出的銀河系中的潛在存在。這樣的發(fā)現(xiàn)將為我們揭示宇宙中的奧秘提供重要線索。
用來估算銀河系中類地外星文明的德雷克方程
除此之外，AI還將被廣泛應(yīng)用于望遠(yuǎn)鏡的自動(dòng)化觀測(cè)，能夠?qū)崟r(shí)識(shí)別望遠(yuǎn)鏡中感興趣的天體，并幫助確定優(yōu)先進(jìn)行進(jìn)一步觀測(cè)的目標(biāo)。這種自動(dòng)化使天文學(xué)家能夠高效地監(jiān)測(cè)天空，并迅速響應(yīng)瞬態(tài)事件。
我們期待在不久的將來能夠創(chuàng)造出比ChatGPT更加智能的天文AI模型，從而將天文學(xué)家從繁雜的數(shù)據(jù)處理任務(wù)中解放出來，使他們能夠更專注于科學(xué)研究。到那時(shí)，天文學(xué)家每天上班后的第一件事可能是邊喝著咖啡，邊聽著AI助手匯報(bào)工作，通過聲音、圖像或視頻，全方位獲取AI助手的分析結(jié)果。
讓我們共同期待這個(gè)美好時(shí)代的到來！
未來的AI助手示意圖（圖源：網(wǎng)絡(luò)）
