【中國科學報】虛擬天文臺 讓天文學飛入尋常百姓家

2021-01-13 中國科學院

　　中國虛擬天文臺方便了科學家的批量數據分析和可視化工作，大大提高了科研效率。

　　超新星公眾搜尋項目開啟以來，已累計發現超新星20多顆，參與者除了學生、天文愛好者，還有工程師、公司職員、公務員，其中最年輕的發現者廖家銘當時只有10歲。

　　5月6日，萬維望遠鏡個人版2.0正式發布。作為虛擬天文臺的一個重要實例，本次上線的萬維望遠鏡2.0版由中國虛擬天文臺（China-VO）開發，成功對接了國際先進的天文數據標準HiPS，實現了對萬維望遠鏡數據的大批量、一次性更新，上線了包括嫦娥2號7米解析度探月數據、北京—亞利桑那巡天彩色星圖、卡西尼探測器土衛八數據、新視野號冥王星數據在內的88個新數據集，進一步豐富了平臺資源，也為天文科普教育提供了更多便利。

　　中國科學院國家天文臺信息與計算中心主任、國際虛擬天文臺聯盟副主席、中國虛擬天文臺負責人崔辰州告訴《中國科學報》，2000年左右，隨著美國斯隆數字巡天（SDSS）等一批天文觀測項目開始啟動，天文學的觀測方法發生了重大改變，從對單個天體的精細觀測改為大天區巡天觀測。新的觀測方式帶來了海量數據，如何存儲、分析和呈現這些浩如煙海的數據成為了天文學家迫在眉睫的問題。

　　虛擬天文臺，作為上述問題的解決方案，應運而生。

　　多信使天文學

　　「虛擬天文臺是將全球範圍內形如孤島的天文研究資源通過先進的信息技術連接起來，實現資源在地理上的分散和邏輯上的統一。」中國科學院國家天文臺郭守敬望遠鏡（LAMOST）運行與發展中心常務副主任趙永恆告訴《中國科學報》。

　　以中國虛擬天文臺用戶之一LAMOST為例。趙永恆說，LAMOST作為我國天文界第一個大科學工程以及世界上光譜獲取率最高的望遠鏡，在大規模光學光譜觀測和大視場天文學研究方面，居於國際領先地位。其第六次釋放的數據共包括4902個觀測天區，發布1125萬條光譜，其中高質量光譜數（S/N>10）達到937萬條，約為國際上其他巡天項目發布光譜數之和的2倍。

　　國家天文臺助理研究員李珊珊告訴《中國科學報》，這些海量數據的發布正是通過中國虛擬天文臺團隊設計開發的數據發布系統實現的。

　　天文數據有多大呢？LAMOST每年產生10TB數據，俗稱「天眼」的FAST預計每天產生50TB數據，而平方千米射電望遠鏡陣（SKA）每秒就可以產生50TB數據。

　　從2017年6月LAMOST一期巡天結束到現在的兩年時間裡，中國虛擬天文臺打造的數據發布系統經受住了考驗。截至2019年4月，LAMOST數據發布系統已為科學用戶提供了1067719次檢索服務，以及近60TB的數據下載流量，產出了近400篇科學論文。

　　5月初，LAMOST數據發布系統被評為「2018年度中國科學院信息化優秀案例」。

　　崔辰州說，虛擬天文臺可以連接單個望遠鏡數據，實現數據互操作。比如LAMOST的可見光波段數據，通過與射電、X射線波段的其他望遠鏡數據，甚至引力波幹涉儀數據、哈勃望遠鏡數據進行數據融合，可以綜合天體的各種信息，實現交叉證認，這在天文學上叫做多波段天文學。而隨著引力波、中微子等更多觀測方式的出現，多信使天文學也應運而生。

　　崔辰州認為多波段、多信使等天文觀測及數據資源相互結合，是天文學研究的趨勢之一。例如4月發布的第一張黑洞照片就是融合了全球多個望遠鏡的觀測數據並進行後期處理得到的。

　　實現「三替」 天文上「雲」

　　對於虛擬天文臺的功能，趙永恆將之總結為「三替」，即替找數據、替分析數據、替可視化。

　　當今，各種大數據、數據分析、雲計算及人工智慧技術正在迅猛發展，各種計算機語言、技術層出不窮。據了解，中國虛擬天文臺為用戶自由地使用第三方語言、軟體或技術來分析和可視化數據提供了接口，通過該接口即可使用Python、Java等語言調用系統的服務，從而實現LAMOST數據系統與用戶現有軟體的無縫對接，方便科學家的批量數據分析和可視化工作，大大提高了科研效率。

　　崔辰州告訴記者，2016年國家天文臺與阿里雲締結戰略合作協議，合作內容之一，便是完成了中國虛擬天文臺上雲，打造包括從天文數據觀測、獲取、發布，到用戶查詢、下載、分析以及可視化的全生命周期服務的天文大數據管理與開放共享平臺，開發雲上天文應用軟體與服務，針對光學天文、射電天文、數值模擬和數據挖掘等領域的大數據技術與應用開展深度合作。

　　全民科學 科普之窗

　　在劉慈欣的科幻小說《球形閃電》中，有一段關於SETI@home的情節，主人公在自己的電腦上下載一個客戶端，即可以用自己電腦的閒置資源幫助科學家搜尋地外文明（SETI）。這種讓普通公眾廣泛參與的科學研究項目，被稱為全民科學項目。

　　中國虛擬天文臺也有一個類似的全民科學項目，即公眾超新星搜尋項目（Popular Supernova Project，PSP）。

　　李珊珊介紹，該項目是由業餘天文愛好者組成的星明天文臺和中國虛擬天文臺合作開展的面向普通大眾的宇宙新天體搜尋項目之一，是首次基於國內業餘天文觀測數據策劃實施的全民科學項目，也是專業天文隊伍和業餘天文隊伍深度合作的一次成功嘗試。

　　超新星公眾搜尋項目開啟以來，已累計發現超新星20多顆，參與者除了學生、天文愛好者，還有工程師、公司職員、公務員，其中最年輕的發現者廖家銘當時只有10歲。

　　崔辰州說：「超新星搜尋計劃，在公眾科學的參與程度上比SETI@home更進一步，參與者不僅貢獻計算資源，而且直接參與搜尋工作，貢獻智力。」

　　虛擬天文臺承載的另一個職能是以更直觀的方式向中小學生科普天文學知識。

　　從事天文學學習、科研工作多年，李珊珊深感國內天文科普教育資源缺乏、手段單一陳舊，並與實際天文研究脫節。

　　於是，李珊珊設想用萬維望遠鏡推進科普，應用場景包括為開設天文課的中小學老師編寫互動式天文教學模塊，在科技館開設天文小課堂，以及發揮天文數據可視化的優勢，藉助萬維望遠鏡平臺製作天文漫遊片等。

　　李珊珊告訴《中國科學報》，HiPS是一種國際上廣泛使用的、支持海量天文數據分層可視化的虛擬天文臺數據標準。它最主要的特點之一，就是讓天文數據能夠在專門的客戶端或瀏覽工具中漸進性地讀取或顯示。基於這一原則處理後的數據所生成的圖像，隨著某個特定領域被放大，更多細節亦隨之顯現。

　　李珊珊憧憬，這些努力結合公眾科研項目可以使天文學科普變得真實與新穎，將一個個天文夢播種在孩子的心中。

　　同一片天空

　　在總結天文學數據開放的意義時，崔辰州認為，天文學由於研究資源有限，天然具有數據共享的特點。同時，虛擬天文臺開發的LAMOST數據發布系統有完善的用戶權限管理機制，可以保證國內天文學家對數據有優先使用權。

　　通過虛擬天文臺數據訪問協議的實現，進一步拓寬了LAMOST數據的傳播、使用渠道，實現了公開數據的國際化開放共享。中國虛擬天文臺還積極把國內的科學數據向國際同行推薦，LAMOST等多批數據已被法國斯特拉斯堡天文數據中心（CDS）的VizieR系統收錄，提升了國產數據的國際影響力。

　　對於中國虛擬天文臺團隊的工作，趙永恆這樣評價：「中國虛擬天文臺研究建設的這十多年，在幫助我國天文學研究從追趕國際潮流到達到國際先進水平上，扮演了重要角色。」

　　（原載於《中國科學報》 2019-05-21 第8版 探索發現)

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