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◎ 科技日?qǐng)?bào)記者 金鳳

在天文領(lǐng)域，近年最引人關(guān)注的發(fā)現(xiàn)之一，是一種瞬時(shí)亮度超過太陽上億倍的未知天體。這類天體在射電頻段上的超常爆發(fā)，被稱為“快速射電暴”。它們能在你眨眼的百分之一的瞬間，甚至更短時(shí)間內(nèi)，完成一次極高的能量釋放。這種前所未有的爆發(fā)，究竟是在怎樣極端的環(huán)境下產(chǎn)生，成為近年來天文學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

自2007年有學(xué)者發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)快速射電暴，目前已經(jīng)有100多個(gè)快速射電暴被探測(cè)到了。常用的篩選方法無法甄別全部的快速射電暴疑似信號(hào)，只能進(jìn)一步縮小疑似信號(hào)的數(shù)目，再在較少的樣本中通過人工挑選可信的信號(hào)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

如何高效而精準(zhǔn)地捕捉這些神秘的信號(hào)？中國科學(xué)院紫金山天文臺(tái)與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、上海交通大學(xué)、貴州師范學(xué)院，以及澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織、西悉尼大學(xué)、西澳大學(xué)等機(jī)構(gòu)的學(xué)者，引入機(jī)器學(xué)習(xí)算法，從5億個(gè)疑似信號(hào)中找到81個(gè)快速射電暴候選體， 該成果近日發(fā)表于英國《皇家天文學(xué)會(huì)月刊》。

銀道坐標(biāo)系下帕克斯望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)天區(qū)的空間分布圖，橙色星號(hào)展示了81個(gè)快速射電暴候選體的分布，受訪者供圖

依靠傳統(tǒng)方法，單人要花50年才能甄別完5.6億個(gè)疑似信號(hào)

研究快速射電暴的手段有很多。2007年，美國西弗吉尼亞大學(xué)的Duncan Lorimer等人利用澳大利亞的帕克斯射電望遠(yuǎn)鏡，發(fā)現(xiàn)第一個(gè)快速射電暴。

但僅有觀測(cè)還不夠?！翱焖偕潆姳┚嚯x遙遠(yuǎn)，它們傳播到地球上的能量，比藍(lán)牙耳機(jī)的信號(hào)都要差很多。要想從儀器的背景噪聲，和人類制造的電磁干擾中把它們找出來，非常困難。這也是為什么射電天文觀測(cè)那么多年了，直到2007年才首次發(fā)現(xiàn)它。”本篇論文的通訊作者、中澳天文聯(lián)合研究中心ACAMAR博士后張松波還在讀博士期間，就決心對(duì)帕克斯望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行一遍“查戶口”式的搜尋，看看里面是否還有新的快速射電暴。

中國科學(xué)院紫金山天文臺(tái)高能時(shí)域天文研究團(tuán)組最近幾年開展快速射電暴研究，已經(jīng)利用帕克斯望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)數(shù)據(jù)構(gòu)建了一個(gè)完整的單脈沖數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫內(nèi)包含了快速射電暴標(biāo)準(zhǔn)搜尋方法所尋找出的5.6億個(gè)信噪比大于7的單脈沖疑似信號(hào)。

張松波說，傳統(tǒng)的搜尋程序，無法準(zhǔn)確識(shí)區(qū)分噪聲信號(hào)、人造信號(hào)和快速射電暴信號(hào)。所以這5億多個(gè)結(jié)果，只能被稱為疑似信號(hào)。假設(shè)工作人員每天能看三萬張圖，那么這5.6億個(gè)疑似信號(hào)需要不眠不休地看50年才能看完。

殘差神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)篩選出81個(gè)新的快速射電暴候選體

機(jī)器學(xué)習(xí)中的殘差神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)變種，它模擬最基本的生物神經(jīng)元，將接收到的信號(hào)進(jìn)行分析，并判別信號(hào)的種類，從識(shí)別準(zhǔn)確度到識(shí)別速度都有很大的提升。

雖然這是一個(gè)很成熟的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，但快速射電暴不管從形態(tài)上，還是訓(xùn)練樣本的收集上都很困難。

“這相當(dāng)于訓(xùn)練機(jī)器從5億只狗里，把混入的幾只貓?zhí)舫鰜?。?/strong> 論文的第一作者、中科院紫金山天文臺(tái)高能時(shí)域天文團(tuán)組博士研究生楊軒說。

經(jīng)過摸索，楊軒發(fā)現(xiàn)通過降采樣率的方式縮小圖片尺寸，能夠明顯改善識(shí)別結(jié)果。同時(shí)通過對(duì)候選體信號(hào)的到達(dá)時(shí)間與色散量進(jìn)行分析，可以大大降低需要檢查的圖片數(shù)量。

運(yùn)用訓(xùn)練好的模型，最終，研究團(tuán)隊(duì)從數(shù)據(jù)庫里找出了81個(gè)新的快速射電暴候選體。

其中一個(gè)證據(jù)來自這些候選體的色散量?！拔覀儚耐馓帐占纳⒘吭酱螅f明天體距離我們?cè)竭h(yuǎn)。這些候選體的色散量已經(jīng)超出了銀河系色散量貢獻(xiàn)的估計(jì)值，證明它們很可能是來自銀河系外的?！睆埶刹ㄕf。

另一個(gè)佐證來自候選體所在的波束。張松波介紹，在帕克斯望遠(yuǎn)鏡的多波束觀測(cè)中，快速射電暴的候選體只被其中一個(gè)波束探測(cè)到，說明信號(hào)的來源指向性非常明確，而來自地面的射電信號(hào)則不可能只出現(xiàn)在如此小的區(qū)域內(nèi)。這表明它們來自地面射電干擾的可能性很小。

科研團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步研究分析，將這81個(gè)候選體和當(dāng)前已發(fā)表的快速射電暴樣本的輻射能量、脈沖寬度的累積分布進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)二者在統(tǒng)計(jì)行為上是一致的。楊軒介紹，這說明兩者對(duì)應(yīng)的信號(hào)，其物理起源和輻射機(jī)制很可能是相似的，進(jìn)一步驗(yàn)證了81個(gè)候選體信號(hào)的真實(shí)性。

正用“天眼”FAST收集的數(shù)據(jù)訓(xùn)練算法

在張波松看來，此次研究也對(duì)從觀測(cè)角度嚴(yán)格判定射電信號(hào)是否為快速射電暴提出了挑戰(zhàn)?！把芯恐械妮椛淠芰糠植急砻?，新候選體在低能端的事件數(shù)目高于已知快速射電暴，這說明以往的搜尋方法還存在不足，可能有非常多信號(hào)稍暗弱的快速射電暴被遺漏?！彼硎?，這些新發(fā)現(xiàn)的候選體也將為搜索更大樣本的重復(fù)暴提供了比較有價(jià)值的預(yù)選目標(biāo)。

天文學(xué)正在迎來大數(shù)據(jù)時(shí)代，射電觀測(cè)采集的數(shù)據(jù)量日益巨大，中國500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST）、澳大利亞平方公里陣探路者望遠(yuǎn)鏡，以及正在建設(shè)中的平方公里陣列望遠(yuǎn)鏡都正在或即將展現(xiàn)更高的靈敏度，同時(shí)也將帶來更為驚人的數(shù)據(jù)量，這也對(duì)信號(hào)的篩選方法提出極高的要求。

“目前，我們正在用FAST收集的數(shù)據(jù)來訓(xùn)練AI算法，希望能訓(xùn)練出適用性更廣的AI模型。同時(shí)，也正在嘗試在現(xiàn)有模型中增加更新的機(jī)器學(xué)習(xí)方法，如深度卷積生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)、顯著圖等，來提高現(xiàn)有模型的準(zhǔn)確性，降低誤報(bào)率。”張松波說。

來源：科技日?qǐng)?bào)