中科院上海天文臺研究員葛健帶領(lǐng)的國際團(tuán)隊，運(yùn)用人工智能的深度學(xué)習(xí)方法，對國際斯隆巡天三期釋放的類星體光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行了微弱信號搜尋和數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)了稀少的107例宇宙早期星系內(nèi)的冷氣體云塊成分的關(guān)鍵探針中性碳吸收體。分析發(fā)現(xiàn)，在宇宙約30億年的演化早期，這些攜帶中性碳吸收體探針的早期星系已經(jīng)過快速物理和化學(xué)演化，并進(jìn)入介于大麥哲倫矮星系和銀河系之間的物理和化學(xué)演化狀態(tài)。該研究為探索星系如何形成和演化提供了新的研究方式，展現(xiàn)了人工智能在天文海量數(shù)據(jù)中探尋微弱信號的應(yīng)用前景。

研究冷氣體和塵埃對剖析星系形成和演化至關(guān)重要，為天文學(xué)家探討星系從“最初組裝”到恒星形成時期的劇烈變化，再到演化后期的整個星系生命周期提供了關(guān)鍵手段。中性碳吸收線可作為有效探針來跟蹤氣體和塵埃成分。而這些中性碳吸收線的信號微弱且稀少，需要在海量的類星體光譜數(shù)據(jù)中才能找到。使用傳統(tǒng)的搜尋方法耗費(fèi)時間，同時搜尋到的假信號較多，易遺漏一些微弱信號。

該團(tuán)隊采用人工智能的深度學(xué)習(xí)方法，設(shè)計神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，生成基于實際觀測的中性碳吸收線特征的大量仿真樣本去訓(xùn)練深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并使用這些被“訓(xùn)練好”的深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在斯隆巡天三期釋放的數(shù)據(jù)中搜尋中性碳吸收體。該團(tuán)隊通過上述方式發(fā)現(xiàn)了稀少的107例宇宙早期星系內(nèi)的冷氣體云塊成分的關(guān)鍵探針——中性碳吸收體。該研究獲得的樣本數(shù)是此前獲得的最大樣本數(shù)的近兩倍之多，并探測到更多比以前更微弱的信號。

該研究發(fā)現(xiàn)較多冷氣體的中性碳吸收體，并將這些光譜疊加到一起，直接測量塵埃吸附導(dǎo)致的部分金屬豐度缺失。結(jié)果表明，在宇宙只有約30億年的年齡時，這些攜帶中性碳吸收體探針的早期星系已經(jīng)過快速物理和化學(xué)演化，進(jìn)入介于大麥哲倫矮星系和銀河系之間的物理和化學(xué)演化狀態(tài)。此時，大量金屬產(chǎn)生，同時部分金屬被吸附到塵埃上，產(chǎn)生可觀測到的塵埃紅化結(jié)果。這驗證了近期詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡在宇宙最早的恒星中探測到類似鉆石的碳塵埃的新發(fā)現(xiàn)，預(yù)示著部分星系的演化比預(yù)期要快得多，挑戰(zhàn)了現(xiàn)有的星系形成和演化模型。區(qū)別于詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡通過星系發(fā)射光譜來開展研究工作，該工作通過觀測類星體的吸收光譜來研究早期星系，這將為未來宇宙和星系早期演化研究提供全新的研究手段。

葛健表示：“要想使用人工智能在海量的天文數(shù)據(jù)中‘挖’到新發(fā)現(xiàn)，就需要發(fā)展創(chuàng)新的人工智能算法，使之能夠快速地、準(zhǔn)確地、完備地探尋到這些很難在傳統(tǒng)方式下找到的稀少而微弱的信號。”

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藝術(shù)想象圖

5月15日，相關(guān)研究成果發(fā)表在《皇家天文學(xué)會月報》（MNRAS）上。

論文鏈接：https://academic.oup.com/mnras/article/531/1/387/7671017