SKA大数据的科学应用和挑战

中国网/中国发展门户网讯   天文学是一门最古老的学科，伴随着人类文明产生，而中国则是世界上天文学起步最早的国家之一。现代观测天文学从伽利略发明天文望远镜算起，至今已经有 400 多年的历史，天文学的每一次重大进展都离不开天文望远镜能力的飞跃式进步。

中国正处在新时代科技创新的战略机遇期，国家对科研的投入达到前所未有的高度。仰望星空离不开精密望远镜，近几年一批大型天文望远镜在我国相继建成，如兴隆大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜（LAMOST）、贵州 500 米口径球面射电望远镜（FAST）、暗物质探测空间望远镜“悟空”、硬 X 射线调制望远镜“慧眼”，这些设备接近或达到国际一流水平。中国参加了世界上最大的天文大科学工程——平方公里阵列（Square Kilometre Array，SKA）射电望远镜的国际合作，其建成后将成为射电望远镜中的旗舰，树立自然科学探索历程中新的里程碑。现有的望远镜设备也都在升级更新，形成了从地基设备到空间卫星（以及空间站）的观测条件和从 X 射线、紫外线、光学、红外到射电的全波段观测能力，把天文学的研究推上了指数增长的大数据时代。目前的天文数据已经达到了 PB 量级，随着观测技术的进步和观测设备的更新，很快将会进入到 EB 量级时代，天文大数据将深刻改变人类探索和认识自然的方式。

天文学研究已经步入大数据时代

从 20 世纪 60 年代以来，天文学不断产生令人赞叹的成果，天文学正书写着人类自然科学发展的辉煌篇章。最精彩、最具突破性的天文发现越来越依赖于大型科研装置的协同运行，越来越依赖于海量数据的分析和挖掘；同时，科学成果的透明度、多样性、多学科之间的融会贯通使得人类的科技生活越来越丰富多彩。天文学真正进入了多波段、多信使时代，人们不仅能够使用多个观测设备同时探测同一天体，获得几乎整个电磁波谱的完整信息，而且还能够使用电磁辐射之外的其他信源，比如中微子和引力波来研究宇宙天体。一个最具代表性的例子是 2017 年 8 月天文学家首次发现两颗中子星的并合事例。地基激光引力波天文台（LIGO）和 VIRGO 引力波探测器首先发现了中子星并合过程产生的时空涟漪，随后最强大的太空望远镜和地面望远镜协同观测并合后的后随辐射，使得人们不仅增进了对引力波的认识，而且从观测上证实了短伽马暴、巨超新星等奇异天体，这让我们对天文学协同研究的强大威力有了新的理解。

以观测为基础的天文学曾长期受到数据匮乏的困扰，进入 21 世纪信息时代，天文学已经发生了重大的革命性变化。天文观测已经逐步进入大数据时代，当前科学研究方式和传播方式也发生着深刻演变。举个例子：超新星是宇宙中绚烂的烟花，我国有世界公认的关于超新星的最早天文记录。超新星在天体物理研究中有重要的地位，2011 年的诺贝尔物理学奖授予 3 位天文学家，他们的贡献是通过对超新星的观测发现宇宙正在加速膨胀。超新星是非常稀有的事件，在 10 年前捕获一颗超新星是相当困难的，因此每次观测到一个超新星也必然引起全球望远镜的追逐竞赛，大量研究不得不依赖于数值模拟和理论计算。而如今，光学巡天每年都能发现 1 000 多颗，超新星变得不再稀奇，深度有效地挖掘这些大型巡天积累的数据则有可能会产生更多新发现。随着 SKA 等下一代超级望远镜带来的天文观测能力的极大提升，在当前仍属于凤毛麟角的奇异天体在 5—10 年后都将成为常客。统计学、信息科学与天文学密切结合，为天文学家提供数据分析工具，基于对宇宙大数据的收集、整理、分析探索宏观宇宙的真理和天体的运行规律。