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百万年后,人类将何去何从?——走近“引文桂冠奖”得主天文学家桑德拉•法伯尔  美国时间9月20日,科睿唯安公司发布了被认为是诺贝尔奖风向标的2018年度“引文桂冠奖”的获奖名单,其中美国科学院院士、加州大学圣克鲁兹分校教授桑德拉•摩尔•法伯尔(Sandra
Moore
Faber)作为今年唯一的天文学家赫然在列。  法伯尔获奖的原因为“研究出确定星系的年龄、大小和距离的开创性方法以及对宇宙学的其他贡献,包括对‘冷暗物质’的研究,该物质被认为是宇宙‘丢失’的物质。”  这并不是法伯尔近年来获得的来自外界的唯一认可。  法伯尔于2012年就获得了天文界最高荣誉之一的布鲁斯奖章,2013年获得了由美国总统奥巴马亲自授予的美国国家科学奖章,2017年获得了价值五十万美元的格鲁伯宇宙学大奖。  笔者非常有幸成为了法伯尔教授在晚年指导的学生之一,在这里我就与大家聊一聊我所认识的法伯尔教授。  星系宇宙学的学术泰斗
  大多数天文专业的学生第一次听说桑德拉•法伯尔这个名字应该来源于早已被写入星系物理教材中的法伯尔-杰克逊关系(Faber-Jackson
relation)。  事实上,当你一旦迈入星系宇宙学这个领域的门槛,就很难避免见到法伯尔的名字,因为她几乎参与了半个世纪以来所有关于星系宇宙学领域的研究。  早在1976年,法伯尔就与其学生罗伯特•杰克逊(Robert
Jackson)发现了这一后来以其名字命名的描述椭圆星系光度与中心恒星速度弥散的关系。  这一关系的发现为天文学家首次提供了一个测量星系距离的比例尺,并由此启发了人们对星系大小、亮度和速度弥散的整体关系的研究,这后来被称为星系的“基本面”(fundamental
plane)。  1979年,法伯尔与威斯康辛大学麦迪逊分校的约翰•加拉格尔(John
S。
Gallagher)共同发表了讨论暗物质存在证据的文章。  几年之后,法伯尔与加州大学圣克鲁兹分校的林潮(Douglas
Lin)、乔治•布鲁门萨尔(George Blumenthal)、乔尔•普里马克(Joel
Primack)及剑桥大学的马丁•里斯(Martin
Rees)等人陆续讨论了暗物质的基本性质,并提出了宇宙学中冷暗物质(cold
dark
matter)的概念。  这一概念现在已被人们广泛接受,带有宇宙学常数的冷暗物质模型(LCDM)被称为“标准宇宙学模型”,尽管这一模型还存在着些许未被解决的问题。  法伯尔与普里马克等人现在依然在试图研究并完善标准宇宙学模型,笔者也参与了其中的部分工作。  天文学作为一门观测学科,大科学装置的建造很大程度上会影响学科的发展。因此,除了科学研究工作以外,法伯尔还积极参与了许多大科学工程与项目。  法伯尔是目前口径最大的光学天文望远镜凯克望远镜(Keck
telescope)的设计者之一。她参与设计了凯克望远镜的光学结构,并领导了凯克望远镜主要的后端光谱仪DEIMOS的建造。  同时,她还参与设计了哈勃空间望远镜上的广域行星照相机WFPC。1990年,法伯尔与其学生诊断出了哈勃望远镜光学设计上的瑕疵,即广为天文爱好者所知的哈勃望远镜的球差,并参与了修复工作。  在上世纪八十年代到本世纪初,法伯尔先后领导了包括“Seven
Samurai”和“Nukers”等项目,推进了人们对星系、暗物质和超大质量黑洞之间关系的认识。  自2010年起至今,法伯尔领导了哈勃望远镜有史以来最大的项目CANDELS,其惊人的曝光深度使得人们能够研究宇宙自早期以来各种星系的性质。  包括中国在内的十多个国家的科学家目前依然在对CANDELS项目的数据进行着深入地研究,希望能够通过这个项目得到星系从结构到恒星形成等各个方面的演化规律。  虽然在天文学的各个领域都取得了令人瞩目的成就,然而对于被科睿唯安公司预测将获得诺贝尔奖,法伯尔则显得非常谦虚。  她非常感谢评委们能够肯定她的学术贡献,但在同时,她认为不应将功劳全部归于她一人——无论是对星系的基本性质还是对冷暗物质的研究,她一直在与许多学者通力合作。没有他们的帮助,她无法取得今天的成就。图4
2013年美国总统奥巴马为法伯尔授予美国国家科学奖章图4
2013年美国总统奥巴马为法伯尔授予美国国家科学奖章  亦师亦友的领路人
  笔者是从2016年夏天开始加入法伯尔的研究团队的。  怀着对法伯尔学术成就的敬佩,笔者与她第一次通邮件的时候十分紧张,尊称她为法伯尔教授。而她在接下来的回信中则很亲切地让我直唿她的昵称桑迪Sandy(本文为表示尊敬,依然采用了法伯尔的称唿)。  在我第一次抵达圣克鲁兹的当晚,她邀请我一起参加了在乔尔•普里马克教授家里举行的美国独立日派对。在派对上,我们一边饮着某位教授自己酿的果酒,一边探讨星系宇宙学的未来。她对于星系和宇宙的本质是那样地着迷,以至能从她的言语中体会到一种“朝闻道,夕死可矣”的境界。  尽管已经74岁高龄,法伯尔依旧保持着惊人的活力与耐心。平日里她每天9点总会准时到达学校。  法伯尔的办公室位于加州大学圣克鲁兹分校内自适应光学中心(CFAO)的一楼,然而她几乎从不坐在自己的办公室内——她永远都会坐在CFAO二楼大厅的桌前办公,据她说这是为了更方便与不同的人交流。  她的午餐时间永远都安排了“lunch
talk”,会与不同的教授、学生和访问者们边享用从家里带来的健康的午餐,边从宇宙的起源聊到人生哲学。  法伯尔对待学生的耐心与循循善诱是许多教授所不具备的。  在我与她做第一个课题的时候,我们常常单独讨论好几个小时。印象里最长的一次,我们从上午九点一直讨论到傍晚六点,中途的午饭便在会议室解决,总时间竟长达9个小时!  “要试着对导师说不”是她常常跟我提到的一句话。她鼓励学生在不认同导师的观点时表示反对,并在自己真的出错的时候会主动接受并及时改正。  她对待学术认真严谨而又虚心的态度在某种意义上来说使她达到了今天的成就。她常说这个时代是星系宇宙学研究的“黄金时代”,她很荣幸能够亲身参与如此之多的重要工作。  这不禁令人思考,究竟是这个时代成就了她,还是她造就了这个时代呢?图5
法伯尔(左三)在与笔者(左二)及上海天文台林琳博士(左一)讨论课题
(来源:UCSC)  中国天文的好伙伴  法伯尔本人与中国有着不解之缘。  法伯尔与许多中国学者都有着良好的私人关系,她对中国文化也有着很浓厚的兴趣。她喜爱吃中餐,能够熟练地运用筷子,还喜欢饮茶。  近年来法伯尔经常到中国进行学术访问。  2015年还在南京大学天文系念书的我第一次在位于南大的讲座现场见到了法伯尔。在报告结束之后我匆忙上去与她合影,从没想过后来她竟能成为我的导师,而后来才知道她近些年对中国学生可谓是青眼有加。  最近五年来,跟她工作过的来自中国的本科实习生以及青年学者已有十余人,她也依然欢迎更多来自中国的学生。  她与林潮老师等人力推的中国国家留学基金委与加州大学圣克鲁兹分校天文系的博士合作项目已于去年签署,越来越多的中国学生将有机会前往这个现代天文研究的中心之一的地方进行学习。  2017年法伯尔再次对中国进行了一次深入的访问。  在去过位于贵州平塘的“中国天眼”FAST之后,她对总工程师南仁东老师的才华十分钦佩。而在云南天文台高美古观测站里,她还对一台存在着一些工程问题的光谱仪提出了一些修改建议。  法伯尔对于中国天文的发展非常关心,她曾对我国计划建造的12米光学红外望远镜的设计提出过许多非常详细的建议。她还于近日出任了北京大学科维理天文与天体物理研究所理事会的联合主席,将对研究所的运行提供指导与监督。  人类命运的思考者  作为一个天文学家,法伯尔习惯了从宇宙学的时标来思考问题。毕竟对于星系演化来说,一亿年的尺度尚且不算很长,百十万年几乎更是弹指一挥间。  然而,对于人类来说,我们从来没有从宇宙学的时间尺度上认真考虑过自己的未来。  千百年来,一代又一代的人类在思考未来的时候最多从自己的子女考虑到孙辈甚至重孙辈,可是没有人对整个人类文明在宇宙学时标上的发展进行过严谨的科学研究。  因此,法伯尔正在致力于推动加州大学圣克鲁兹分校下属的地球未来研究所和加州大学系统下属的起源与深度时间研究中心。  在这两个机构中,来自包括但不限于天文学、地球科学、生物学、计算机科学、经济学、政治学等各个学科的精英学者们将从一百万年的时间尺度上思考地球和人类的未来。  一百万年将经历四千代人类的繁衍,到那时,地球的未来将会如何?人类存在的终极目的将会是什么?地球和人类的存在又重要吗?人类这个物种从哲学意义上的价值观又会是怎样的?  这些问题值得思考,也应该有人开始去认真地思考。  作为加州大学起源与深度时间研究中心的负责人,法伯尔将激发无穷的想象力,带领人们开创这一关乎人类未来问题的讨论,她也真诚地邀请来自中国的学者能够参与到这一项目之中。

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“百年老店”陷入关门危机 预算紧缩致美天文学研究风光不再

寻找暗物质,机器比人的眼神好。近期《计算天体物理学和宇宙学》发表的一篇论文显示,美国劳伦兹伯克利国家实验室(以下简称“伯克利实验室”)等机构共同研制的深度学习AI框架,能够探寻宇宙里暗物质的迹象。

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近几年,人工智能越来越多应用于天文学研究。深度学习需要海量数据,而天文学正是AI大显身手的领域。机器可以替人类从茫茫大海里捞针,捕捉到新的恒星、新的地外行星甚至暗物质。

利克天文台进行激光测试。

辨认“引力透镜”,AI立功了

图片来源:LAURIE HATCH

寻找“引力透镜”是研究暗物质分布的基本方法。巨大质量的物体会像透镜一样扭曲路过的光线,找出这种扭曲就能捕捉到不发光的质量物。

美国最具标志性的天文台之一
——有125年历史的利克天文台,正面临被关闭的命运。利克天文台位于圣何塞市附近的汉密尔顿山。与该天文台有联系的天文学家表示,加州大学总校计划削减利克天文台的经费,作为控制UC系统成本的一部分。天文学家指出,UCOP的决定不仅威胁到利克天文台,也会影响其主办机构——加州大学天文台。

论文显示,伯克利实验室建立的深度学习AI框架CosmoGAN,可以分析引力透镜与暗物质的关联。它可以创建高保真、弱引力透镜收敛图。

“我非常伤心,即将发生的事情让我崩溃。”从1978年就开始在利克天文台工作的UCO天文学家Steven
Vogt说。之前,由于事态的不确定性,几位优秀的天文学家离开了UCO。“我们损失了优秀人才。”Vogt说。也有天文学家认为,UCOP的决定是强制性减支不可避免的后果。

曾几何时,寻找“引力透镜”所需的模拟和数据处理很麻烦。20名科学家花费了好几个月的时间只能查看一小块空间图像。物理模拟需要数十亿个计算小时,占用数兆字节的磁盘空间。

除了运行利克天文台以外,UCO还负责筹建利克天文台和夏威夷凯克天文台的设备及软件。UCO的天文学家和技术人员也在为30米望远镜项目设计仪器。UCO位于加州大学圣克鲁兹分校,UCOP每年为其提供750万美元经费。

神经网络的进步提供了机会。伯克利实验室领导的团队引入一种“生成性对抗网络”。研究者穆斯塔法说:“也有别的深度学习方法可以从许多图像中得到收敛图,但与竞争方法相比,GANs生成非常高分辨率的图像,同时仍有神经网络的高效率。”

但是,从明年7月开始,UCOP将不再为UCO的11个系和职员支付薪酬,这部分资金为250万美元。UCO临时主管Sandra
Faber表示,UCOP已经指定加州大学圣克鲁兹分校为这部分资金买单,从而只留下该分校管理人员为如何解决这部分财政负担而烦恼。

现在,天文学家可以用CosmoGAN分析大得多的天区,速度也更快。

Faber和同事还被告知,UCOP将从2016年开始慢慢停止对利克天文台的资助,并在2018年后完全停止提供资金。除非UCO能够找到其他资金来源,支付利克天文台每年130万美元的经费,否则这个天文台将不得不被关闭。这里是6架望远镜的家,一台2.4米的新行星自动探测器计划明年运达。

CosmoGAN不是唯一取得进展的天文学深度学习神经网络。比如多伦多大学利用深度学习技术解析月球陨石坑的卫星图像,P8超级计算机的神经网络在仅仅几个小时内发现6000个新的陨石坑,是过去几十年中人类发现陨石坑数量的2倍。伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校利用深度学习来探测和分析黑洞碰撞的引力波。AI在天文学遍地开花。

2012年,加州大学伯克利分校天文学家、UCOP 副主席Steven
Beckwith推动成立了一个UC委员会,该委员会提出了一系列建议,之后,预算削减随之而来。该委员会的责任是监督UCO的活动和提出天文学投资的最优化方案。在6月份发布的一份报告中,该委员会建议UC将其天文投资集中在凯克天文台和TMT项目,同时把利克天文台从研究—训练机构转变为由UC系统外部资金支持的公共博物馆。

数据太多,没机器玩不转

“这不仅仅是加州大学的预算问题。”UCO天文学家Garth
Illingworth说。他们还指责大学员工和管理层有这样的错误感觉:UCO职员享有特殊地位。与UC天文学部门的教授相比,他们的教学任务更轻,他们还有11个月的合约,意味着一年的大部分时间他们都有薪酬,而大学的同事只能拿9个月的薪水。“我不知道如何将这些怨恨降到最低。”Faber说。

过去几年里,天文领域的大多数方向都在尝试使用人工智能。考虑到天文学要处理的数据之多,这是一个很自然的思路。让机器练习去分析蛛丝马迹,不如此,未来的天文学将无法运转。

Illingworth表示,UCO天文学家给予UC不匹配的科学价值。数十年来,该机构随着仪器的到来而诞生,这些仪器推动了光学和红外天文学的发展,帮助利克天文台和凯克天文台的观察者获得高质量图像。2011年,一个由英国剑桥大学天文学家Robert
Kennicutt领导的外部委员会,给了UCO和利克天文台“优秀”的评价。相关评审报告指出:“在过去15年中,通过凯克和利克望远镜的观察结果产生了一些最重要的天文学发现,其中包括有关外行星、宇宙学和黑洞的独创性理论,UC也确立了天文学上的领导地位。”

不久前举办的2019年GPU技术大会吸引了全世界的人工智能学者。大会请来加州大学圣克鲁兹分校的天文学家布兰特⋅罗伯特森演讲,他指出:“天文学正在一场新的数据革命的风口”。罗伯特森认为,新一代天文仪器必须配合由深度学习驱动的新一代软件。

Beckwith拒绝对UC委员会的提议发表评论。加州大学欧文分校天文学家、委员会成员James
Bullock表示,该委员会被迫作出了这些艰难的决定,因为UCOP行政人员曾表达了砍掉UCO所有经费的想法。“问题归根结底是,预算要被削减,我们做不了任何事情,因此只能把重点放在凯克天文台和TMT上。”Bullock说。他还补充道,委员会的一些成员认为,“花在利克天文台上的钱太多了”,不过他说自己并不赞同该观点。

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