大数据潮流中的天文发现

2018-06-06 13:01 来源:奇米新闻网编辑整理
  • 杨岭楠 编译

今年岁首年月,天文学家无意偶尔发现,在我们星系中心的周围极有可能存在数千个黑洞。这一发现的依据来自X射线图像,但意外的是,图像其实不是经由过程最进步前辈的新型天文千里镜捕捉到的,而且也不是近期拍摄的。这些图像的拍摄时间甚至还要往回倒溯20年。其实这是研究人员重新挖掘故纸堆得出的新发现。

在大数据的时代,类似的发现只会变得愈来愈普遍。大数据在改变着科学的研究体式格局。天文学家每天可收集的数据在呈指数式增长,如此速度也就不难理解为什么要花费数年甚至数十年去从陈年旧档案中刨出隐藏的发现了。

天文学的变革

六十年前,天文学科研者的经典工作模式是独行侠或者小团体。他们一样平常用自己单位的大型地面光学千里镜进行科研。因此,观察会很大程度局限于光学波长范围,只能在肉眼看到的范围内得到观察结果。结果极可能在大量的天文物理信息源中错过肉眼无法分辨的旌旗灯号,比如从频率极低的无线电射线一直到高能伽玛射线。在那个时代,普通人很难从事天文学研究,在领域深耕的要么是学者,要么得是身家极为殷实的快乐喜爱者,因为一个上好的千里镜实在太贵。

过去收集的数据是以摄影底片或已发表的目录形式存储的。要想获取天文台的档案比较困难。这样一来,业余天文快乐喜爱者几乎很难深入探索。如今,有的天文台设备特别很是进步前辈,已经覆盖了所有的电磁波频谱。而且,天文台也不再仅由单独的机构运行,很多前沿的天文台多由数家太空科研机构发起共建,甚至由多个国家合力而成。

随着大数据时代的到来,几乎所有的数据都可以公开获取。天文学领域可以说已发展成为一个颇为民主的王国,任何有设法主意的人都可以重新分析任何数据,去探究新的可能性。读者们也大可以研究本文提到的用以发现黑洞的钱卓拉(Chandra)数据。

大数据潮流中的天文发现

哈勃太空千里镜


这种时代的新型天文台会产生数量惊人的数据。比如1990年入手下手运行的哈勃太空千里镜(Hubble Space Telescope,缩写为HST)已完成130万次观测,每周传输大约20GB的原始数据,对于一台20世纪70年代设计的设备来说,已经卓然于众人了。2013年在智利建成的阿塔卡玛大型毫米波/亚毫米波阵列千里镜(Atacama Large Millimeter Array,简写为ALMA)当前每天都能产生2TB数据。

数据洪流的三峡大坝

天文数据的档案数量对比尚待挖掘的发现来说富富有余。新一代的天文台通常都比上一代敏感度超出跨越至少十倍,其中有进步前辈科技的功劳,也因为科研任务体量更大了。根据新任务所需要的时间来看,在同一波长,新一代的天文设备可以观测到数百倍之多的天文信息。例如,20世纪90年代高能伽玛射线千里镜(Energetic Gamma Ray Experiment Telescope,简写为EGRET)与美国航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,简写为NASA)刚满十岁的费米(Fermi)伽玛射线千里镜相比,前者在太空中仅能探测到大概190个射线源,而费米能探测到5千多。

目前智利境内在建的大型巡天千里镜(Large Synoptic Survey Telescope,简写为LSST)未来将大大加快巡测太空的速度,预计它投入使用后每隔几晚就能够完成整个太空的巡测。它的敏感度之高足以使其每晚对崭新或瞬间的射线源产生一千万次提醒,十年之后数据将累积愈15PB。

平方公里阵列千里镜(Square Kilometre Array,简写为SKA)是一个狼子野心的计划,将在2020年完成,其时将成为世界上最敏感的千里镜,甚至可探测到50光年之外外星人的机场雷达站。它一年的探测数据将超过全网产生的所有数据。

2016年9月竣工的中国科学院“天眼”(Five-hundred-meter Aperture Spherical Radio Telescope,简写为FAST)是SKA的中国变形版,在国家天文台总工程师南仁东研究员的主持下,建成目前国际上最大的单口径千里镜,500米口径球面射电千里镜可以实现无死角观测太空,其产生的观测数据将为庞大的数据库再填一笔重量级的墨彩。

这些雄心勃勃的项目对科学家处置惩罚数据的能力会构成考验。图像需要进行自动处置惩罚,也就意味着需要先将数据缩小到可处置惩罚的范围,或者转化成成品。新型天文台无疑也在挑战着较量争论机的极限,它庞大的数据库要求较量争论机具备每天处置惩罚数百TB数据的能力。天文台获得的数据都是向公众开放的,要知道它的体量比我们一样平常使用的1TB硬盘要多上一百万倍。

解锁新科学

数据的汤汤洪流将使天文学发展成为更开放更需要合作的学科。在开放充沛的网络数据、迫不及待的学习群体和新发且高涨的积极性环境中,公众可以参与到科学,投身到科学。其中有一个较量争论机程序Einstein@Home,就鼓动勉励大家在闲余时间帮助搜寻高速迁移转变的中子星。

公众尚且如此,就更不用说科学家有多兴奋了。科学家们经常参与具有很大时间跨度的物理现象研究,很多现象的跨度远超过普通人一生的时间,而且普通人即使穷其一生也无法遇到。比如典型的星系合并,就像它给人的直观理解一样,会持续数万万年。我们能捕捉到的只是一张快照,好比一帧车祸录像的瞬间定格画面一样。

但也有时间跨度短一些的现象,比如几十年的,几年的或者几秒的。正是经由过程这种研究体式格局,科学家们在新的研究中发现了数千个黑洞。同时,科学家最近还发现附近的矮星系中心发射的X射线自上世纪90年代被探测到以来正在减弱。这些崭新的发现都意味着在过往数据的长河中还埋藏着待见天日的珍宝。

大数据潮流中的天文发现

来自巨大的椭圆星系M87黑洞的高温气体喷射流


本文撰笔者马里兰大学的研究人员艾琳·迈耶(Eileen Meyer)正在做一个有趣的项目。她利用哈勃的数据在制作喷射流的电影,喷射流也就是黑洞喷射的成束高速等离子体。在电影中,迈耶使用附近M87星系长达13年的400个原始图像作为素材,也第一次展示了等离子体的扭转运动,进而得知喷射流实际是螺旋结构的。正是因为其他观测者为了其他目的观测得来的数据,不经意间圆了迈耶的儿时梦想。随着天文图像变得愈来愈大、分辨率愈来愈高,甚至敏感度愈来愈高,这类研究也会逐渐演变成标准化研究。

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