清華新聞網(wǎng)2月20日電 日前，清華大學(xué)自動(dòng)化系戴瓊海院士團(tuán)隊(duì)和天文系蔡崢副教授團(tuán)隊(duì)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)：研究團(tuán)隊(duì)），提出時(shí)空自監(jiān)督計(jì)算成像模型——星衍(ASTERIS)，攻克極低信噪比下的高保真光子重構(gòu)難題。該研究突破天文觀(guān)測(cè)深度極限，將詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡探測(cè)深度提升1個(gè)星等，找到3倍數(shù)量于過(guò)往研究的極暗弱高紅移候選天體，繪制出迄今最深邃的極致深空星系圖像。
相關(guān)研究成果于北京時(shí)間2月20日，以《自監(jiān)督時(shí)空降噪提升天文成像探測(cè)極限》(Deeper detection limits in astronomical imaging using self-supervised spatiotemporal denoising)為題，以長(zhǎng)文形式“優(yōu)先發(fā)表”(First Release)于《科學(xué)》雜志（Science），審稿人稱(chēng)贊其為，“杰出的工作與強(qiáng)大的工具”“會(huì)對(duì)天文領(lǐng)域產(chǎn)生重要的影響”。
星衍增強(qiáng)前后的韋伯空間望遠(yuǎn)鏡近紅外觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比（曝光時(shí)間約18個(gè)小時(shí)）
從事件視界望遠(yuǎn)鏡勾勒出人類(lèi)首張黑洞照片的震撼瞬間，到詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡向宇宙深處投下的深邃一瞥；從歐洲極大望遠(yuǎn)鏡ELT蓄勢(shì)待發(fā)，到巡測(cè)南天的薇拉·魯賓天文臺(tái)開(kāi)啟首光：探索宇宙中最遙遠(yuǎn)、最暗弱的天體一直是人類(lèi)的終極追求之一。這些天體蘊(yùn)藏著理解宇宙起源與演化的關(guān)鍵信息。為了這一追求，人們不斷增大望遠(yuǎn)鏡的鏡面尺寸，提升傳感器的工藝性能，將最強(qiáng)大的觀(guān)測(cè)儀器發(fā)射至遙遠(yuǎn)的太空。但隨著不斷增加的投入和不斷增長(zhǎng)的時(shí)間周期，傳統(tǒng)物理維度的硬件堆砌模式，已面臨邊際效應(yīng)帶來(lái)的增長(zhǎng)瓶頸。此外，明亮的天光背景噪聲（太陽(yáng)系黃道光散射、銀河系漫射光、未分辨的河外背景光）與望遠(yuǎn)鏡自身的熱輻射噪聲疊加，形成了天文觀(guān)測(cè)領(lǐng)域上空的一朵烏云，遮擋了暗弱的星光。更為復(fù)雜的是，這些噪聲在時(shí)空上呈現(xiàn)非獨(dú)立、非均勻的異質(zhì)性，使得基于獨(dú)立同分布的傳統(tǒng)疊加、堆棧方法，在面對(duì)這些極暗弱信號(hào)時(shí)力有不逮。
多年來(lái)，研究團(tuán)隊(duì)始終聚焦觀(guān)測(cè)天文學(xué)的核心物理挑戰(zhàn)，從光學(xué)像差矯正到大氣湍流補(bǔ)償，不斷突破探測(cè)極限。通過(guò)計(jì)算光學(xué)原理與人工智能算法的深度耦合，團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)海量觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的多維解譯。這些技術(shù)沉淀最終孕育出星衍方法——它將深空?qǐng)D像重構(gòu)為時(shí)空光交織的三維體，像從一塊璞玉中精細(xì)雕琢出隱藏的紋路。
星衍方法的核心，在于獨(dú)特的光度自適應(yīng)篩選機(jī)制。它不再單純將背景噪聲視為隨機(jī)干擾，而是對(duì)噪聲的漲落與星體本身的光度進(jìn)行聯(lián)合建模。這個(gè)機(jī)制引導(dǎo)模型專(zhuān)注于對(duì)暗弱的信號(hào)的提取與重建。
此外，即使信號(hào)極其暗弱，信號(hào)與噪聲在時(shí)空分布中的數(shù)學(xué)期望仍存在顯著差異。星衍無(wú)需通過(guò)復(fù)雜的物理建模還原望遠(yuǎn)鏡的真實(shí)觀(guān)測(cè)狀態(tài)，直接利用帶有真實(shí)噪聲的海量真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，即可高保真地還原目標(biāo)信號(hào)。
此前，利用AI模型“解碼”天文數(shù)據(jù)的研究并不少見(jiàn)，多沿用計(jì)算機(jī)視覺(jué)領(lǐng)域的通用指標(biāo)衡量性能。這些指標(biāo)往往易將模型導(dǎo)向一種誤區(qū)：數(shù)據(jù)變得干凈平滑，實(shí)則磨平了極暗弱信號(hào)，甚至改變了天體形態(tài)。
研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一套基于天文科學(xué)的AI評(píng)價(jià)方法，摒棄單純的視覺(jué)效果提升，以探測(cè)能力、形態(tài)保真、光度保持等為核心評(píng)價(jià)指標(biāo)，將深空觀(guān)測(cè)中的多幀曝光策略?xún)?nèi)化為模型的數(shù)據(jù)輸入邏輯，從科學(xué)需求引導(dǎo)星衍的架構(gòu)設(shè)計(jì)。
另一方面，星衍在增加探測(cè)深度的同時(shí)，還著力確保了探測(cè)的準(zhǔn)確性。模型首次采用了“分時(shí)中位，全時(shí)平均”聯(lián)合優(yōu)化策略：通過(guò)中位數(shù)統(tǒng)計(jì)，剔除單次曝光中存在的宇宙射線(xiàn)等瞬態(tài)干擾；通過(guò)加權(quán)平均，最大化暗弱信號(hào)的信噪比。
天文觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)不同增強(qiáng)方法對(duì)比
（紅圈代表準(zhǔn)確的星點(diǎn)探測(cè)）
這一雙重機(jī)制顯著提升了探測(cè)暗弱信號(hào)的能力，也同時(shí)降低了虛假信號(hào)的產(chǎn)生概率，保證了天文數(shù)據(jù)的科學(xué)性。
在詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)上，星衍展現(xiàn)了驚人的效果：將探測(cè)暗弱天體的完備度提升了整整1.0個(gè)星等，并將探測(cè)的準(zhǔn)確度提升了1.6個(gè)星等。“這相當(dāng)于將望遠(yuǎn)鏡的光子收集效率提升了近一個(gè)數(shù)量級(jí)。從探測(cè)深度角度評(píng)估，相當(dāng)于把韋伯空間望遠(yuǎn)鏡的等效口徑從6.4米提升到了接近10米量級(jí)?！毖芯咳藛T介紹道，“這一突破為研究極端暗弱天體打開(kāi)了新的窗口?！?/span>
依托這一技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)在韋伯空間望遠(yuǎn)鏡的深度觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)中，發(fā)現(xiàn)了超過(guò)160個(gè)宇宙早期的候選高紅移星系，數(shù)量是先前發(fā)現(xiàn)的3倍。這些星系存在于宇宙大爆炸后僅2至5億年的“宇宙黎明”時(shí)代，它們的發(fā)現(xiàn)使人類(lèi)得以繪制出目前最深邃、暗弱的早期星系光度函數(shù)，為理解宇宙第一縷曙光的誕生提供了全新數(shù)據(jù)。
星衍的另一大優(yōu)勢(shì)在于其強(qiáng)大的泛化能力。作為一種時(shí)間-空間-光度多維智能學(xué)習(xí)方法，它僅基于已有的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，無(wú)需依賴(lài)人工標(biāo)注。這一特性使其能夠輕松跨越不同觀(guān)測(cè)平臺(tái)和探測(cè)波段。目前，星衍已成功應(yīng)用于詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡和昴星團(tuán)地面望遠(yuǎn)鏡，覆蓋的波段范圍從可見(jiàn)光（約500納米）延伸到中紅外（5微米）。這標(biāo)志著它不僅能解碼空間望遠(yuǎn)鏡的尖端數(shù)據(jù)，更可兼容多元探測(cè)設(shè)備，成為通用的深空數(shù)據(jù)增強(qiáng)平臺(tái)，為人類(lèi)探尋宇宙的巨眼，植入智能的AI大腦。
過(guò)往研究（藍(lán)紫星標(biāo)52個(gè)）與星衍（橙色星標(biāo)162個(gè)）發(fā)現(xiàn)的高紅移候選星系效果對(duì)比
這項(xiàng)突破性成果是清華大學(xué)人工智能與天文科學(xué)深度交叉融合的結(jié)晶。成像與智能技術(shù)實(shí)驗(yàn)室在智能模型與算法及計(jì)算成像領(lǐng)域的深厚積累，與天文系團(tuán)隊(duì)對(duì)天體物理科學(xué)前沿和海量觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的深刻理解緊密結(jié)合，共同促成了理論與技術(shù)創(chuàng)新。依托星衍，空基觀(guān)測(cè)中受噪聲干擾的暗弱天體得以實(shí)現(xiàn)高保真重現(xiàn)；結(jié)合非一致光學(xué)像差校正與廣域大氣湍流補(bǔ)償?shù)惹捌谘芯?，地基時(shí)域巡天有望實(shí)現(xiàn)從硬件堆疊向智能增益的范式轉(zhuǎn)型。計(jì)算光學(xué)與人工智能的深度融合，將賦予觀(guān)測(cè)能力指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，為天文學(xué)家探索“暗物質(zhì)暗能量與星系起源”等前沿科學(xué)問(wèn)題提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。
本研究受?chē)?guó)家自然基金委、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國(guó)博士后科學(xué)基金、新基石科學(xué)基金會(huì)、清華大學(xué)篤實(shí)專(zhuān)項(xiàng)、馬化騰基金、腦與認(rèn)知智能北京實(shí)驗(yàn)室（北京市教委）等支持。清華大學(xué)自動(dòng)化系戴瓊海院士、天文系蔡崢副教授、自動(dòng)化系吳嘉敏副教授為共同通訊作者，清華大學(xué)自動(dòng)化系博士后郭鈺鐸、張昊，天文系博士生李明宇為共同第一作者。
論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.ady9404
供稿：自動(dòng)化系
編輯：楊濱華
審核：王曉霞
