从人类诞生的那一刻起，人们对宇宙奥秘的求索就从未停止。今天，天文学已经进入了一个具有多波段、多信使的海量观测数据的黄金时期，人工智能技术将对天文领域产生深远影响。近日，美国亚利桑那大学天体物理学博士、清华大学天文系蔡峥教授受邀来到微软亚洲研究院，与我们分享了天体物理研究与人工智能方法相结合的前沿探索。

嘉宾介绍 蔡峥，2015 年获得美国亚利桑那大学天体物理学博士学位，2015 年—2019 年在美国加州大学圣克鲁兹分校从事博士后研究，获美国太空总署（NASA）“哈勃学者”（Hubble Fellow）称号。2019 年任清华大学天文系助理教授（tenure track），同年入选中组部第十五批青年千人计划，共发表论文 30 余篇，引用 1500 余次，担任《Nature》等杂志审稿人。他发现宇宙早期大尺度结构以及发现宇宙早期最亮的星云，被美国 CNN，英国 BBC 等主流媒体报道。蔡峥领导的多项研究入选哈勃太空望远镜、以及地面最大望远镜的观测计划。他也参与多个新望远镜与探测仪器研发，如位于智利的新的世界最大光谱巡天望远镜等。 当我们谈论宇宙，我们在谈论什么? 经常有人问我做什么，我说“天体物理”，他们就说：“那你给我算个命吧”，可能跟大家最有关的就是星座。但是我们宇宙研究究竟在做什么呢？中国的一些哲学家在 2000 多年前就说了，“上下四方谓之宇，古往今来谓之宙。”所谓宇宙，就是空间和时间上的研究。 我们先从空间上看。离地球最近的恒星是太阳，如果到一光年尺度，就可以看到离太阳最近的恒星。到几百、上千甚至到上万光年，你可以看到银河系的旋臂。到了 10 万光年，你就可以看到银河系的全貌和它周围的星系。而到上百万、上千万光年，我们发现还有很多像银河系一样的星系。所有星系在宇宙中的三维排布是一个纤维网的大尺度结构。我们的血管还有蜘蛛网也是拓扑结构，是非常相似的。

在图 1 中，人们脑海中的星系大概是最左边的样子，但是，近二三十年，我们发现星系实际上处于巨大的暗物质当中，可见部分只占整个暗物质晕非常小的比例，暗物质是可见物质的六倍多。但是你为什么感觉不到呢？因为我们所有的感受都是因为电磁相互作用，但是暗物质和我们只有引力作用，除此之外可能还存在一点点弱相互作用，但这还只是理论假设。 大家可能听说过清华大学在 2400 米的地下有一个锦屏山地下实验室。为什么在 2000 多米的地下可能探测到暗物质呢？因为在那里所有可见物质，不管能量多高，都已经被挡住了。如果能观测到那里的粒子，那应该就是不和正常物质有电磁相互作用的暗物质。目前锦屏山还没有发现任何痕迹，但暗物质是客观存在的，已经有科学家通过星系的旋转曲线等多种独立的天文方法推测出来了。星系就是被暗物质凝聚在一起，整个暗物质晕又呈纤维网状排布。这是空间上我们研究的一个尺度。 从时间上说，我们知道宇宙中有一次大爆炸，宇宙正在膨胀中。宇宙起源离现在大概 130 亿年，爆炸后它一直在减速膨胀，但在距今 70-80 亿年，它开始加速膨胀。这也是我们用很多方法实际观测到的。为什么会加速膨胀呢？因为宇宙中还有一种更神秘的东西叫暗能量，在宇宙膨胀到一定程度，物质密度已经极低的情况下，它能驱动宇宙的加速膨胀。在宇宙中，暗能量占 70%，暗物质占近 26%，可见物质只占 4% 左右。

现在天文学进入了一个黄金时期。我们进入了多波段、多信使的时代，从最短的波，到最长的波，我们在全波段都有一些比较好的设备；不光能看电磁波，还能看引力波。引力波也是最近发现的，两黑洞并合时会产生一种波，这种波很弱，但是能让整个度规或时空发生变化。引力波实验是相对论和量子力学最完美的一个结合。 天文学与我们的生活也息息相关。我们手机用的锂电池，它的材料就是大爆炸三分钟以内的产物。我们戴的金戒指，是八个太阳质量以上的超大恒星爆炸才产生的东西。太阳爆炸最多形成铁，而这些金是太阳系周围的一些超大恒星爆炸了，金经过亿万年终于飘到地球上，然后被我们捞起来做成戒指。我们身体里所有的碳和铁都是超新星爆炸产生的，人的意识是怎么来的我们还不知道，但是构成人体的材料都来自宇宙。当然，最后地球也会被太阳吞食，所有原料也都会进入星际空间，再形成一颗恒星，所以卡尔·萨根曾经说过，宇宙在哪儿呢？宇宙实际就在我们的身体里。从这个意义上来说，我们每个人都是“来自星星的你”。 天文学也将进入一个大数据时代，在这个过程中，微软还做了巨大的贡献。在智利，有全球最大的光学望远镜——大型综合巡天望远镜（Large Synoptic Survey Telescope, LSST），它能对太空进行不间断地扫描，预计将发现 100 亿个新星系，每年能产生 10 PB 数据。比尔·盖茨也曾捐赠 1000 万美元给该项目。

天文学-人工智能应用的最好领域 我觉得天文学是人工智能大数据应用的最好领域。在现在的天文学研究里，即使只是用了一点点和人工智能相关的技术，就能对整个天体物理领域产生深远影响。虽然人工智能技术在天体物理领域的应用还处于起步阶段，但人工智能已经开始真正参与人类对自然界新规律的发现。今天我想给大家举一些人工智能在天体物理中应用的例子。 引力透镜 大家去高档餐厅肯定见过这样的蜡烛，你能在酒杯底部看到这种光环，因为光线偏折了。这种透镜的效应在天文学中的对应现象叫引力透镜。爱因斯坦就曾预言，如果光通过质量巨大的一个东西，就能让光弯曲并围绕前方的星球形成一个圆环。所以爱因斯坦环的形状就能告诉我们光通过了多大的暗物质晕。

爱因斯坦环的正向问题是比较简单的——给定暗物质晕，光通过暗物质晕后产生怎样的引力透镜，这是比较容易计算的。但是逆问题，即给定爱因斯坦环，计算光通过了多大的暗物质晕、暗物质晕怎么分布，就比较复杂了。传统的方法需要用 4000 个 CPU 的计算机算整整 6 周，才能完成一次分析。但在 2017 年，发表在《Nature》上的一个研究应用了卷积神经网络来解决这个问题。研究人员先正向计算出很多引力透镜的数据，构建训练集来训练神经网络，然后给定一个引力透镜的信息，通过 CNN 就能逆向生成暗物质晕的分布。我们可以看到，输出结果与真实情况非常相似，而且最令人惊讶的是，它连暗物质晕的子结构都预测得非常准确。训练好了之后，只需要个人电脑就能得出结果，这使得大样本、从统计上面精细地对暗物质结构的探索首次成为可能。