星系分类工作产生“意外收获”

作者:网络    故事文库   2015-10-14

一个核心为棒状的旋涡星系

有15万名天文爱好者参与了星系分类工作。结果,业余人士发现了一些专业天文学家未曾注意到的东西。

卡伦·马斯特斯(karen masters)14岁时的一个爱好是把报纸上的星系照片剪下来贴在本子上收藏。那些颜色、形态各异的星系凑在一起活像是一个动物园。如今,马斯特斯已经成为了一名职业的天体物理学家,她每天的工作内容就是研究千奇百怪的星系。她显然非常享受这份工作,她每张名片的背后都印着一幅不同的星系照片。

马斯特斯是英国朴茨茅斯大学的天文学研究者,同时是“星系动物园”(galaxy zoo)的一名管理员。2012年8月20日晚饭时间,马斯特斯受邀在第28届国际天文学联合会大会上介绍了他们的“动物园”。在国家会议中心的报告厅里,数百人聆听了这次报告,大多是天文学家。马斯特斯在大屏幕上展示了一张星系照片,然后让在场认为那是一个旋涡星系的人举手。大概三分之一的人举起了手。

“星系动物园”的理念就是这么简单:请你看一幅星系照片,然后判断出它是旋涡星系还是椭圆星系。旋涡星系就像我们的银河系,中间有一个球形或棒状的核心,周围有像旋涡一样的旋臂。而椭圆星系就是那些没有旋臂的、混沌一团的星系。对它们做出分类并不需要天文学博士学位,任何一个普通人都能做到。这是人脑很容易分辨的图案,但是对于目前的计算机来说却是一件复杂的事情。

2007年7月一个周五的晚上,牛津大学的两名年轻的天体物理研究者凯文·施温斯基(kevin schawinski)和克里斯·林托特(chris lintott)在一家叫“皇家橡树”的酒吧喝啤酒。那个时候,施温斯基刚刚开始处理“斯隆数字巡天”(sdss)项目所得到的星系照片。他要把这些星系进行分类,以便考察星系演化中的一些悬而未决的问题。他一天工作12个小时,苦干了一个礼拜,做了5万个星系的分类。

5万个星系,听起来很多,但是跟海量的数据比起来简直是九牛一毛。施温斯基觉得这样苦干下去不是办法,于是跟林托特讨论是否有讨巧的方法。这一讨论,让他们想到了利用人海战术来做处理。他们把需要分类的星系照片放到网上去,然后发动对天文感兴趣的人们通过互联网来对星系进行分类。

几天之内,“星系动物园”最初的页面就上线了,这迅速吸引了大批天文爱好者。以前也有天文项目联合众人的力量来做数据处理,但都是利用闲置的计算机资源。“星系动物园”是第一个利用人脑的项目。

“‘星系动物园’的参与者花了两年时间把斯隆数字巡天的星系做完了分类,如果仅靠我们这些职业天文学家来做,大概需要4000年时间才能做完。”马斯特斯在北京对南方周末记者说。

从左往右分别是:正常的蓝色旋涡星系,红色旋涡星系,椭圆星系

星系总动员

马斯特斯的美籍华人丈夫给她的报告起了个中文题目:“星系总动员”。网络上的志愿者们所看到的大部分照片都是之前从未被人眼看到过的图像,因为现在的天文巡天观测是由计算机控制自动拍摄,然后又由计算机自动处理的。自动化的天文观测带来了海量的数据,将这些拍摄到的星系与埃德温·哈勃所建立起的形态学的分类方法连接起来,是今天的天文学家们面临的挑战。

从2007年到2009年,“星系动物园”处于第一个阶段。参与者看到一幅照片的同时会被问到一些简单的问题,包括星系是旋涡的还是椭圆的,以及如果是旋涡的,旋臂的方向是怎样的。在网站上线的第一个24小时之内,每小时收到的分类数量达到了7万;第一年里共收到5000万个分类,参与者15万人。

后来一些参与者认为他们有能力判断照片上更多的细节,项目的工作人员也这样认为,于是推出了“星系动物园2”。这一次,志愿者们除了被询问到星系的形状外,还包括星系核的密度或亮度,还会查看一些特殊形态的,比如正碰撞在一起的星系。

“我们让多人观测同一个星系,大概20到40人之间。这让我们得知说出某个星系的形状的困难程度。如果所有人都同意,我们就知道它的形状是很清楚的。但是如果人们分歧很大,我们就知道那个星系的形状难以判断。”马斯特斯介绍说。

对于马斯特斯这样的星系专家来说,这些分类对科学研究有直接的帮助。

通常,天体物理学家认为旋涡星系是蓝色的,并且正在制造新的恒星;椭圆星系是红色的,不产生恒星。但是在处理照片的过程中,志愿者们发现了红色的旋涡星系。“那是一个有趣的发现,我们认为蓝色的旋涡星系演化成红色的椭圆星系。”马斯特斯说。如果有两个蓝色的旋涡星系相撞,所有物质混合在了一起,这样会激发新恒星的产生,当所有的资源用尽之后,就形成了红色的椭圆星系。但是如果有红色的旋涡星系,那就说明不需要这个过程,星系也会由于某种原因而停止产生新的恒星。

另外,还有一种说法认为,有更多的星系拥有顺时针方向的旋臂,马斯特斯等人也想要验证这一说法。结果表明,这是人类的心理错觉,并不是宇宙本身如此。如果是左撇子来看,就会发现逆时针旋转的星系更多。

到目前为止,科学家在“星系动物园”数据的基础上已经写出了三十多篇发表在正规学术期刊上的论文。同时人们也有得玩——志愿者们找出了形状酷似26个英文字母的星系,在一个专门的网站上,只要你输入一段英文信息(比如你的名字),系统就能调出斯隆数字巡天中的图像,用真实的星系来拼出这段文字。网站把这个过程称为“星系化”(galxify)。

意外的发现

“原始的‘星系动物园’带来的最令人兴奋的发现是那些从未料到的东西。”动物园管理员们表示。这其中被谈论最多的一个发现来自荷兰的一名28岁的教师。

涵妮·凡·阿克尔(hanny van arkel)之所以会加入“星系动物园”的志愿者行列,是受到了偶像的感染。她的偶像布里安·梅(brian may)既是著名的吉他手又是天体物理学家,在梅的感召之下,阿克尔很快就投入到星系分类的工作中并为之着迷。有一天,她在查看星系照片时注意到某个星系的旁边有一团绿色的云状物体,她很好奇那是什么东西,于是在论坛上发了一个帖子询问。结果,没有人知道那是什么——包括专业的天文学家在内。

这个绿色的天体被命名为“涵妮的voorwerp”,voorwerp在荷兰语中是物体的意思。天文学家们开始申请天文台的望远镜时间对这个物体进行专门的观测。观测表明,那团绿色的云雾位于6000光年之外,温度高达15000摄氏度,却缺乏恒星。后来至少有两篇专业的论文发表出来,讨论“涵妮的voorwerp”究竟是一个什么东西,以及是如何形成的。现在看起来,它与黑洞有关,其形成也可能与数亿年前其身旁的星系与其他星系的相互作用有关。

这是文中提到的那个荷兰语命名的绿色天体

另一个例子是志愿者们发现的“绿豌豆”(green peas)。从项目上线的第二天起,就有志愿者报告发现了绿色的天体。在天文学家的认识中,照片上的绿色天体要么是某种相机的光学瑕疵,要么是近地天体,很难想象有绿色的星系存在。第一个被报告的绿色天体事后也被证实只是地球大气湍流造成的光学现象。但是,发现绿色天体的报告并没有从此消失,而是越来越多地被积累起来。直到引起施温斯基的注意。尽管存在错误报告,但确实发现了五十多个绿色的星系,这是此前天文学家从未注意到的天体类型。这些绿色天体圆圆的,看起来就像是豆子,于是被命名为“绿豌豆”。它们的发射线能量很大,暗示它们正在制造恒星。

“星系动物园”的参与者最担心的事情是有一天所有的图片都被他们处理完了,那就没事情可做了。这种担心看起来有点多余了。一方面,现在“星系动物园”已经进入第三个阶段,开始处理来自哈勃太空望远镜拍摄的照片。另一方面,由“星系动物园”出发,施温斯基的团队已经开发出了名为“动物园宇宙”(zooniverse)的项目,它旨在用相同的方法来研究各个科学领域的问题。比如,参与者可以在线听鲸的声音,为这些带着不同“口音”的鲸分类,这可以帮助动物学家理解鲸之间是如何交流的。

马斯特斯借这次到北京参加国际天文学联合会大会的机会,正在与中国的天文学家接触,希望能早日做出“星系动物园”的中文版,以吸引中国的参与者。“我知道中国有多少人。”她笑着说。


南方周末 黄永明

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