AI将如何改变天文?

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文章转载来源：AIcore

作者：衣振萍

来源：中国科学院国家天文台

有物混成，先天地生。寂兮寥兮！独立不改，周行而不殆。
--《道德经》

图片图1. 宇宙的凝望（由无界 AI工具生成）

自古以来，人类对浩渺星空抱有无尽的遐想，不断地迈向探索的征程。近年来，随着科技的飞速发展，人类加快了对宇宙的探索步伐。通过运用先进的设备和技术，天文学家揭示了引力波、黑洞、暗物质与暗能量等令人惊奇的现象，这极大地加深了我们对宇宙的认知。

自2011年以来，人工智能（Artificial Intelligence，AI）技术经历了飞速发展，成功地跨越了科学与应用之间的技术鸿沟，在图像分类、语音识别、知识问答、无人驾驶等方面实现了重大的突破，进入了蓬勃发展的时期。而在天文学领域，AI的应用也在逐年加速增长。通过对arXiv上涉及AI在天文研究方面的论文进行统计，发现从2013年的46篇增长到2022年的2328篇，十年间增长了50倍之多。

图2.十年间发表在arxiv physics上的AI文章的数量（标题中检索machine learning, deep learning 或neural network关键词的统计结果）

天文学已经进入了多波段、大样本和高信息量的时代，望远镜和其他观测仪器产生的数据量成为真正的“天文数字”。AI技术在天文学中的应用越来越广泛，其算法从传统机器学习发展到深度学习，分析任务从简单到复杂。随着神经网络结构的不断改进，AI模型在特征提取和表征方面的能力显著增强。现在，我们已经能够通过测光图像直接识别出非常暗的天体，例如低面亮度星系（如图3所示）和L矮星（如图4所示）。这些天体几乎是在可见光图像中能够被辨识出的最暗的星系和恒星。

图3. 利用AI搜寻侧向低面亮度星系（图源：山东大学邢永广，衣振萍）

图4.利用AI搜寻L矮星（图源：山东大学曹智，衣振萍）

ChatGPT的横空出世标志着AI的重大突破，被视为引发新一轮AI革命的里程碑。 ChatGPT是大模型和大数据相结合的成果。而在天文学领域，积累了海量的观测数据，在算法和算力的支持下，天文学也将迈入AI革命的时代，很可能带来颠覆性的变化。

建立的数据分析大模型可以从天文大数据中提取到更丰富、更准确的信息。例如，可以直接从图像中对各类天体进行自动检测和分类，自动融合多个波段的数据，提供可靠的天体属性参数，并自动生成统计图表。

图5展示了一个图像描述（image caption）任务的框架，由卷积神经网络（CNN）和循环神经网络（RNN）构成。该模型可以识别图像中的对象，并用文字描述图像内容，即通过AI模型使计算机拥有 “看图说话”的能力。这种任务涉及到图像和描述文本两种不同的信息模态，如何让AI模型充分利用多模态信息并进行交互，也是未来研究的一个趋势。