搭建AI星流全新算法： 人工智能助力天文学家揭开银河更多奥秘

夏夜晴空，当你抬头，很容易看见横跨天宇的茫茫银河。地球所在的银河系，是人类身处的家园，它有薯片般的“曲线”，被大量暗物质晕、恒星晕和气体晕包围。

银河系是如何形成的？目前，人类尚无确切的答案。

不过，可以确认的是，在茫茫宇宙中，银河系并不平静。理论研究表明，银河系的形成，经过了百亿年的吸积与并合。在这个过程中，当球状星团或矮星系受到银河系引力的相互作用，就会形成被天文学家称为“星流”的结构。

近日，帕多瓦大学“伽利略”物理与天文系的博士后研究员王海峰团队基于人工智能架构，开发出全新方法，“捕获”到了大量星流结构，揭示了很多结构的化学动力学分布特性，新发现了20余个星流(或候选体)，为揭开银河系奥秘提供了全新视角。8月2日，相关成果正式被国际著名天文期刊《The Astrophysical Journal》接受，论文通讯作者为王海峰，第一作者是其指导的西华师范大学天文系学生王冠宇。

银河系星流的最新整合结果 图源：欧洲南方天文台（ESO）

人工智能助力发现银河系中新“星流”

“银河系有多少‘星流’结构？”记者将问题抛给王海峰。

“已发现的有近百个，还有许多可能尚未发现。”王海峰说，在银河系中，许多星流在恒星分布中会存在化学动力学印记，了解它们，对于人类理解银河系的历史及暗物质分布至关重要。

经过3年的开发和测试，王海峰团队创新性地提出了一套基于深度学习的方法，名为“星系震动学子结构与星流猎人”，简称GS³ Hunter，这一算法可专门用于搜索银河系晕空间中的子结构和星流。

“针对算法，我们分别用宇宙学模拟数据和真实天文数据进行验证，将它输出的结果与其他团队用其他方法做出的结果相比，得到了很好的吻合，说明我们的算法是科学有效的。”王海峰介绍。

人马座星流的模拟结果 图源：受访对象

同时，利用这套算法，团队在搜寻LAMOST（中国的郭守敬望远镜）和Gaia（欧空局的盖亚望远镜）巡天的真实数据时，成功恢复了很多已知的“星流”结构，包括盖亚“香肠(GSE: Gaia-Sausage-Enceladus)”，人马座星流(Sagittarius stream)和室女座过密度子结构(Virgo Overdensity)等，还发现了21个新的“星流”子结构。

这些新的“星流”结构意味着什么？天文学家认为，银河系中存在着大量恒星、气体，以及暗物质。2023年初，王海峰和合作者曾通过研究发现，银河系质量比此前天文学界认知的要轻约4到5倍。

“银河系更轻，这意味着就没有那么强的引力来吞食更多的矮星系或球状星团，那么银河系中的星流数量可能没有此前理论预期的那么多。”王海峰表示，目前通过算法得到的分析结果，间接支持了团队认为银河系比此前认知更加宁静的科学结论，更多分析将会在后续系列工作中呈现。

银河系的部分星流分布图 图源：欧洲南方天文台（ESO）

为天文学争议问题提供全新视角

在星流研究领域，GSE是银河系内一个著名的矮星系结构。因该星系的恒星在速度空间中呈现出独特的“香肠”结构，因此它又被称为盖亚”香肠”，近年来，关于GSE的形成与起源过程，是天文学界备受关注的争论话题。

一方面，几乎所有的欧洲科学团队认为，GSE的形成源自于约在80到100亿年前，一个大质量的矮星系（大约10的11次方个太阳质量）曾掉落到银河系中，并在强大的银河系引力作用下被撕成碎片。

但另一方面，最近美国团队的分析表示，GSE有可能并非单次，而是经过多次吸积并合才得以形成，“这就挑战了此前的主流认识，也是GSE起源遭遇到的认同危机。关于GSE如何形成的，目前仍处于争论当中。”

利用这套算法，团队对GSE结构进行观测分析时，两种争论中的结构都被观测到了。“这让我们感到既困惑又兴奋。”王海峰说。

团队推测，两种争论的观点，有可能是因为学术界不同团队用不同数据和不同方法得出的结论，“也许大家看到的都是同一个矮星系的不同部分，尔后有了各自的命名。”

“这就为理解GSE起源的危机提供了全新视角。” 王海峰说，不过，必须承认在这个问题上，我们还需要更多分析和认识。

人工智能帮天文学家更好研究银河

近年来，随着人工智能发展，许多科学研究引入相关技术，提升了科研效率。

“AlphaGo和ChatGPT大语言模型的来临让我非常兴奋，我深感我们是处在一个科学研究或天文学研究的黄金时代。”王海峰表示。

在天文学中，星流结构不好直接探测，而是需要把相同属性的星星通过某种方法聚在一起，才能看见它们。而深度学习中聚类的概念刚好可以用到这个课题，因此，三年前王海峰团队开始从不同于他人的科学视角，尝试这一课题。

在王海峰眼中，AI可以成为科研工作的好助手，比如，团队之前就基于统计物理和机器学习探究过恒星参数的内在物理规律。但他也认为，AI无法替代天文学家的很多工作，“天文学观测是基础，物理科学问题是导向，我们要做创新性的科学研究，AI就不能代替大脑的深度思考活动。” 王海峰说。

此次研究来自于王海峰主导的“物语星源计划”工作组(MWLUDPSG)。他介绍，这是一个跨国研究的科学合作组，旨在描绘银河系和近邻宇宙盘星系的星族结构和动力学。目前，在“物语星源计划”科学框架下，王海峰等人已经在国际期刊上主导发表文章20余篇，更多科学探索正在推进中。

同时，他也表示，未来团队将完善该原创算法的灵活性，结合中国冷湖天文观测基地的各类新设备，推进科研进度，助力人类更好地理解银河系的起源、历史及暗物质本质等。