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太空探索有无限的可能性:大数据介入天文学

根据国家报告,海量数据正在改变人类观察宇宙的方式。天文学一直被认为是一门观察恒星的科学,但现在各种来源提供的无尽信息创造了一种分析空间的新方法。

最近,《自然》杂志发表了两项有趣的新发现:

我们早就知道银河系的中心有一个超大质量的黑洞,射手座,它是太阳质量的400万倍。根据恒星动力学的理论预测,在人马座A*附近也应该有大量的恒星黑洞(太阳质量一般在5到30倍之间)。通过分析钱德拉x射线太空望远镜的数据,天文学家首次发现了这些黑洞存在的观测证据。

中间是人马座A,12个新发现的X射线双星,红色圆圈中有恒星黑洞,黄色圆圈中有其他X射线源。|资料来源:NASA/CXC/哥伦比亚大学/C.Hailey等人。

研究人员长期以来一直认为,木卫二可能在其红色和白色斑块状冰壳下埋藏了一个液态海洋。在《自然天文学》刚刚发表的一篇论文中,科学家们发现了证据,证明木卫二从伽利略探测器的数据中向太空喷射液态水。

这两项看似无关的研究有一个共同点:它们是基于长期存档的旧数据的挖掘,而不是基于最先进的望远镜。

随着“大数据”时代改变了科学研究的方式,这样的发现只会变得更加普遍。天文学家每天收集的新数据几乎是成倍增加,通常需要数年才能发现这些文件中隐藏的所有信息。也许下一个重大的天文发现隐藏在这些旧数据中,但我们还不知道。

天文学的发展

60年前,典型的天文学家通常是单独工作或在一个小团队中工作。很可能他们有一个大型的地面光学望远镜,供他们所属的机构使用。

他们的观察主要局限于光学波段——肉眼大致可见。这意味着他们错过了很多来自天体物理源的信号,从低频无线电波到高能伽马射线。在当时的大多数情况下,如果你想从事天文学工作,你必须是一个学者,或者是一个喜欢仰望星星的富人,这样你才能使用一架好的望远镜。

旧数据将以底片或出版目录的形式存储。但从其他天文台获取档案可能会很困难——而且对于业余天文学家来说基本上是不可能的。

现在,一些天文台可以覆盖整个电磁频谱。这些最先进的观测站不再由一个单一的机构运作,往往需要来自许多国家的科学家的共同努力。

随着数字时代的到来,几乎所有的数据都将在获取后公开。这使得天文学非常民主:任何人都可以重新分析几乎所有的数据集来创造新的发现。例如,你还可以查看在人马座A*附近发现的恒星黑洞的数据。

这些天文台产生了惊人数量的数据。例如,哈勃太空望远镜自1990年投入使用以来,已完成130多万次观测。每周传输的原始数据约为20GB,这对于20世纪70年代设计的望远镜来说是非常令人钦佩的。目前位于智利的阿塔卡马大毫米波阵列(ALMA)预计每天将产生2 TB的数据。

Alma Morita阵列。截至2018年4月,利用ALMA数据编制了1000篇同行评议论文。|图片来源:阿尔玛

大数据爆炸

现有的天文数据档案已经非常庞大,但我们即将面临更具爆炸性的局面。

每一代天文台的灵敏度通常至少是以前的10倍,这可能是由于技术进步,也可能是因为天文任务变得更大。根据新任务的运行时间,它能在同一波段探测到的天体源数量是以前任务的数百倍。

例如,与美国航天局一级任务费米伽马射线太空望远镜(10年前发射)相比,早期的白鹭伽马射线天文台(20世纪90年代发射)在天空中只探测到约190个伽马射线源,而费米望远镜则探测到5000多个伽马射线源。

智利正在建造的大型综合天空观测望远镜(LSST)是一种光学望远镜,每隔几夜就可以拍摄整个天空。届时,它将极其敏感,每晚产生约1000万个警报,导致目录数据在10年内超过15PB(1PB=1000TB)。

当平方公里阵列(SKA)在2020年完工时,它将成为世界上最灵敏的望远镜,能够探测距离地球50光年外的外星人文明上建立的机场雷达站。仅仅一年的时间,它就能生产出比现在更多的产品。互联网更多的数据。

这些雄心勃勃的项目将考验科学家处理数据的能力。图像需要自动处理——这意味着数据需要缩小到可管理的大小,或者直接转换成成品。新的天文台正在突破计算能力的界限,需要能够每天处理数百兆字节数据的设施。

开启新科学

数据泛滥将使天文学比以往任何时候都更加合作和开放。因为互联网随着档案馆、强大的学习社区和新的推广计划的存在,公民现在有机会参与科学活动。例如,有了计算机程序einstein@home[3],任何人都可以使用他们的计算机帮助科学家在空闲时间从合并的黑洞中搜索引力波。

对科学家来说,这也是一个令人兴奋的时刻。天文学家经常致力于研究超出人类寿命范围的物理现象,这些现象不可能在“真实”时间内发生。就像一个典型的星系合并,可能需要数亿年的时间。我们能捕捉到的只是瞬间,就像车祸视频中捕捉到的一帧。

然而,也有一些现象可以发生在较短的时间尺度。它们只需要几十年,几年甚至几秒钟就可以发生。这就是为什么科学家能够在新的研究中发现大量黑洞的原因。

在她的研究中,马里兰州大学物理学助理教授艾琳·迈耶(eileen meyer)利用哈勃档案馆的数据制作了喷流(从黑洞中喷射出来的高速等离子束)的动态视频。她使用了超过400张跨越13年的原始图像,制作了附近星系M87喷气机的视频。这段视频首次显示了等离子体的扭转运动,这表明射流具有螺旋结构。

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