大數(shù)據(jù)天文學(xué)

黃家聲

什么叫大數(shù)據(jù)天文學(xué)？

大數(shù)據(jù)天文學(xué)并不神秘，我們可以用簡單問題回答我們與天文的問題。

第一個問題，天上有多少顆星星？我們小時候經(jīng)常會問這樣的問題。成為父母時，我們的孩子也常常會這樣問我們。這是一個大數(shù)據(jù)技術(shù)問題，因為天上星星很多。我們經(jīng)常想糊弄孩子：天上有很多很多星星。這個問題其實很深奧。因為宇宙并不是無窮無盡的，它有開始，不知道有沒有終結(jié)。如果宇宙有開始，我們就會問從宇宙開始到現(xiàn)在有多少星星，這是天文學(xué)家一直在做的事。

第二個問題，我們能數(shù)到多少星星？從我們的老祖宗就開始數(shù)天上的星星，他們記載在龜背上或者牛骨上，這是最早的天文學(xué)?，F(xiàn)在數(shù)星星的方式跟老祖宗幾乎一樣，只是用的材料不一樣——我們現(xiàn)在用了望遠鏡，用了硬盤。在技術(shù)上，我們還用了望遠鏡和巡天望遠鏡。天文數(shù)據(jù)從最早開始到現(xiàn)在，大概有幾個TB的數(shù)據(jù)量，而整個銀河系周圍的星系的數(shù)目大概有幾百TB。按能量巡天大概到了PB量級，如果是8米望遠鏡，數(shù)據(jù)就到了PB的量級。天文數(shù)據(jù)是不斷地增加，所以它是一個大數(shù)據(jù)的問題。

全波天文學(xué)

關(guān)于天文學(xué)，我們以前用眼睛直接觀察，然后是換成膠片，再后來就是電子化。不過這些方式的觀察，我們觀察到的都只是天體的一部分。于是我們后來還從另外一個維度對天文學(xué)開展了研究——波。

天文學(xué)是全波的天文學(xué)，地面上能看到的是兩個波段，一個射電波段，一個光學(xué)波段。這主要是因為地球有一層大氣，一方面大氣防止了我們受到天外來的高能量傷害，但另一方面，它也就直接妨礙了我們對天文的觀測。從這一角度而言，有的研究在地面上都不能做，只能到太空。所以在地面研究的天文學(xué)分兩塊，一個是射電天文學(xué)，另一個是光學(xué)天文學(xué)。

天文學(xué)的先進技術(shù)

Arecibo（阿雷西博射電望遠鏡）在國外非常有名，它拍過電影“007”系列的電影，拍電影的時候放了很多水，而這個望遠鏡并沒有被泡壞，因為它是有孔的，放了水之后很快就泄掉了，對望遠鏡的影響很小。

Arecibo望遠鏡硬盤數(shù)據(jù)非常大，目前總量1Pb，磁帶2Pb，F(xiàn)AST現(xiàn)在還在觀測，沒有總數(shù)量。VLA（美國新墨西哥州的甚大天線陣）每個月下載數(shù)據(jù)量是70Tb。要做觀測的話必須要有這么大數(shù)據(jù)量才能完整理解這個物理過程。射電天文學(xué)發(fā)展和大數(shù)據(jù)密不可分。

射電天文學(xué)觀測到的波長很長，分辨率比較低，如果兩個天體靠得很近，而你只有一個望遠鏡，兩個天體就很可能被看成一個。這不難理解，就像是很遠的地方你看到兩個車燈，很容易把兩個車燈看成一個車燈，道理是一樣的。天文學(xué)還引入了另一種技術(shù)——射電天文干涉陣。

ALMA（阿塔卡瑪大型毫米波/亞毫米波陣列），這一項目耗費巨大，是美國、歐盟、日本這三個國家合起來做的項目。智利提供了臺址，并沒有出錢。亞毫米波是科技的未來，它對于天線的精度要求都超過了我們現(xiàn)有的射電天文學(xué)。中國沒有參與這個項目，但是如今我們也把部分數(shù)據(jù)引到了中國。

射電天文學(xué)從長波到短波，從單天線到天線陣，從原子氣體到分子氣體（分子氣體一定要到亞毫米波才能看到）。為什么分子體積很重要？舉個例子，我們尋找地外文明、生物，第一步要做的不是找到人、生物，第一個要找到的是水。從地球來理解，沒有水就沒有生物，所以第一個要找到的是水。這是從地球本身的出發(fā)來理解生命，地外生物可能不依賴水也是有可能的。不過我們從已知探索未知，這是一個依據(jù)。

中科院南美天文研究中心

在習近平總書記的指導(dǎo)下，中國科學(xué)院在“走出去”相關(guān)的方針指導(dǎo)下，南美天文研究中心是中科院實施國際科教合作拓展工程的第一個海外項目。目前，數(shù)據(jù)中心已與華為合作，華為為我們提供免費服務(wù)。我們的數(shù)據(jù)中心與智利的合作，是在李克強總理和智利總統(tǒng)的見證下簽的合約。

智利的望遠鏡資源非常豐富，這是為什么我們要去智利的原因。智利非常干燥，這對于天文特別有利，于是智利成為了世界上最好的天文觀測點。

我們的數(shù)據(jù)中心2015年正式掛牌，硬件服務(wù)商是華為，還得到了ALMA支持，同時我們還和智利的大學(xué)合作，他們?yōu)槲覀兲峁┘夹g(shù)支持。

ALMA觀測下來之后，分散到歐洲中心、美國中心、日本中心。現(xiàn)在我們多建了一個中心，和ALMA直接聯(lián)系，數(shù)據(jù)直接拷到我們的服務(wù)器里面去。這個服務(wù)器是南美中心和智利一索大學(xué)共建的，我們有數(shù)據(jù)檢測源，進行數(shù)據(jù)處理后，這些數(shù)據(jù)能夠在計算機里被中國天文學(xué)家來運用。

整個平臺預(yù)計2021年6月就會建立起來。目前，我們正在和貴州師范大學(xué)合作，我們把鏡像建立起來之后，就可以讓亞毫米波的數(shù)據(jù)為中國天文學(xué)家服務(wù)。我們現(xiàn)在整個數(shù)據(jù)量740個Tb，不到1Pb。FAST早期科學(xué)數(shù)據(jù)中心主任謝曉堯教授講他們有10PB以上的容量，容量上不是很大的問題。

目前，我們在智利的科研人員已經(jīng)合作開發(fā)了搜尋平臺，你可以把天文坐標放進去，你可以找到相應(yīng)的天體。現(xiàn)在是第一階段，這一階段的任務(wù)是在內(nèi)部征集項目，正在測試當中。我們同時承載了智利虛擬天文臺，天文學(xué)里有這樣一個概念，要知道天上的星星有多少，你除了直接看著天上數(shù)之外，還可以把已有數(shù)據(jù)放到計算機里變成一個虛擬天文臺，在計算機里看你能找到你想看的星星或者其他天體，這叫虛擬天文臺。智利現(xiàn)在沒有能力做這個事，所以我們承載了智利虛擬天文臺的服務(wù)。

近期，我們的任務(wù)最關(guān)鍵一點和貴州師范大學(xué)合作，使得中國天文學(xué)家能夠更好利用ALMA數(shù)據(jù)。所以我認為我們中國科學(xué)院南美天文研究中心和貴州師范大學(xué)的合作，使得貴州不光和中國天文相聯(lián)系起來，更是和世界聯(lián)系在一塊了，讓貴州能走向世界，走向國際。

未來我希望可以把更多的數(shù)據(jù)放到中心來，在平臺上為中國天文學(xué)家服務(wù)。

（編輯/侯幫虎）