「蓋亞」用人工神經網路發現超高速恆星！

2013年，歐洲航天局發射「蓋亞」衛星。過去的三年半時間裡，這個「依巴谷」衛星的繼任者一直在收集宇宙數據。「蓋亞」將於2018年退役——雖然服役時間也可能延長——所獲數據將用於創建迄今為止規模最大、最精確的3D星圖。

藝術概念圖，展示了一顆超高速恆星逃離銀河系的瞬間。

發現超高速恆星

在對宇宙進行觀測時，「蓋亞」發現了一系列有趣的現象。最近，歐洲的一支研究小組利用專門設計的人工神經網路對「蓋亞」獲取的數據進行了分析，結果在銀河系內發現了六顆超高速恆星，其中一顆速度驚人，最終將逃離銀河系。研究論文名為「利用人工神經網路發現超高速恆星：蓋亞DR1/TGAS中的候選者」，於近期發表在《皇家天文學會月報》。最近在布拉格舉行的歐洲天文學與宇宙學周中，科研人員報告了這項研究。

超高速恆星較為罕見，因此受到很多天文學家的追捧。銀河系的全部恆星都在不停環繞銀河系的中央運轉，某些恆星的速度可達到每秒數百公里。過去，天文學家認為，這種快速移動由恆星間較短的距離，或者伴星發生超新星爆發所致。十幾年前，天文學家發現了一種新型高速恆星，其速度不斷加快，研究者相信原因是與超大質量黑洞（人馬座A*）的交互作用。這種恆星對研究銀河系的整個結構具有非常重要的意義，因為它們身上隱藏著塑造銀河系歷史的重要事件和各種力量的線索。

論文合著者、荷蘭萊登大學的埃琳娜·瑪麗亞·羅西在歐航局的一份新聞稿中指出：「這些恆星雖然在銀河系穿行了相當長的距離，但它們的源頭可以追溯到銀河系的核心。系核是一個緻密區，被氣體和塵埃遮蔽，通常很難進行觀測。對它們進行研究能夠獲取至關重要的信息，進一步了解從核心到邊緣的銀河系引力場。」

「蓋亞」的藝術概念圖，背景為歐洲南方天文台拍攝的銀河系照片。

人工神經網路「發威」

尋找高速恆星並非易事，主要原因就在於它們的速度。銀河系的銀盤廣袤而擁擠，極難鎖定這些恆星。為了尋找它們的蹤跡，科學家另闢蹊徑，在銀河系的老星族中搜尋年輕的大質量恆星（質量為太陽的2.5到4倍）。「年輕」和「大質量」說明它們可能並非誕生於此。

結合過去的速度和軌跡測算數據，這種方式揭示了超高速恆星的存在。此前，科學家只發現了20顆超高速恆星，均是年輕大質量恆星。科學家認為，更多處於其它年齡和質量段的超高速恆星正不斷加速穿行於銀河系中，但一直未能發現它們的蹤跡。

為了解決這個問題，研究小組——由萊登大學博士生托馬索·馬爾凱蒂負責——將目光投向「蓋亞」的龐大數據集，通過優化搜索發現更多超高速恆星。在對幾種方式進行測試之後，他們敲定了人工神經網路（利用機器學習演算法），利用它在「蓋亞」收集的恆星普查數據中搜尋超高速恆星的蹤跡。

2016年上半年，研究小組開始研發和訓練人工神經網路，為迎接首批公布的「蓋亞」觀測數據做好準備。時年9月14日，數據公布。馬爾凱蒂表示：「最終，我們決定利用人工神經網路，一種模擬人類大腦工作的軟體。在經過適當訓練之後，它能夠在龐大數據集中識別確定物體或樣式。在我們的研究中，我們教會它如何在恆星目錄中搜尋超高速恆星，例如利用『蓋亞』編製的目錄。」

除了10億顆恆星方位的地圖，首批公布的「蓋亞」數據還包括一個較小的目錄，涵蓋200萬顆恆星的距離和運動數據。這個小目錄被稱之為「第谷-蓋亞天體測量解決方案」（TGAS），結合了「蓋亞」第一年任務以及「依巴谷」任務獲取的數據。

藝術概念圖，展示了恆星逃離銀河系的瞬間。

普遍性或超出預計

目錄公布當天，馬爾凱蒂和他的研究小組便運行演算法，對TGAS的200萬顆恆星進行排查，最終得出了一系列有趣的發現。羅西說：「僅用了一個小時，這個人工大腦便從數據集中發現大約2萬顆潛在的高速恆星，將它的規模減少到大約1%。利用精確的距離和運動測量數據，人工大腦進一步篩選，將候選恆星數量減至80顆。」

隨後，研究小組對這80顆恆星進行細緻分析，將它們的運動數據與其它目錄的數據進行比較。通過結合其它觀測數據，他們最終鎖定了6顆超高速恆星，速度超過每秒360公里。其中一顆的速度更是超過每秒500公里。這意味著它不再受銀河系的引力束縛，最終會「逃離」銀河系。

此項研究的重要意義在於揭示了這樣一個事實，這些超高速恆星與此前發現的20顆不同，它們並非大質量恆星，而是與太陽相當。5顆速度較慢的恆星可能成為研究焦點，科學家希望確定哪些因素延緩了它們的速度。一種可能的解釋是，與銀河系暗物質間的交互作用扮演了「剎車」角色。

對TGAS目錄的研究成果表明，「蓋亞」能夠為科學家提供龐大而有價值的數據。他們可以利用「蓋亞」的數據進行各種研究，從而得出一系列發現。未來，科學家要分析的恆星絕不僅僅是200萬顆，而是10億顆，也註定會得出更多令人興奮的發現，進一步揭示銀河系的動態變化，同時揭開塑造銀河系的各種力的神秘面紗。

為了實現這個目標，馬爾凱蒂和他的研究小組正對他們的軟體進行升級，以便能夠處理更為龐大的數據集。2018年4月，「蓋亞」的第二批數據將對外公布。這一次的恆星目錄不僅涵蓋10億顆恆星的距離和運動數據，同時還包括一個速度數據的特殊子集。利用這些數據，研究小組可能發現逃離銀河系的超高速恆星遠比此前認為的更為普遍。

「蓋亞」的第一幅星空地圖。

藝術概念圖，展示了甚大望遠鏡陣列捕捉到的一顆超高速恆星。

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