天文学的下一个重大发现可能隐藏在大量旧数据中

今年早些时候，天文学家偶然发现了一个有趣的现象：在我们银河系中心附近可能存在着数千个黑洞。促成这一发现的 X 射线图像并非来自某种最先进的新望远镜，也不是最近拍摄的——部分数据是近 20 年前收集的。不，研究人员是通过挖掘长期存档的旧数据发现了这些黑洞。随着“大数据”时代改变科学研究方式，此类发现将变得越来越普遍。天文学家每天收集的数据量呈指数级增长——数据量如此之大，以至于需要数年时间才能揭示档案中隐藏的所有信号。天文学的演变 60 年前，典型的天文学家主要独自工作或与小团队一起工作。他们可能可以使用所在机构的一架相当大的地面光学望远镜。

他们的观测主要局限于可见光波长——大致就是肉眼可见的波长。这意味着他们错过了来自大量天体物理源的信号，这些天体物理源可以发射不可见的辐射，从极低频无线电一直到高能伽马射线。在大多数情况下，如果你想研究天文学，你必须是一个有学识的学者或古怪的富人，并且能使用一架好的望远镜。

旧数据以摄影底片或出版目录的形式保存。但访问其他天文台的档案可能很困难——对于业余天文学家来说，这几乎是不可能的。

如今，已有覆盖整个电磁频谱的观测站。这些最先进的观测站不再由单个机构运营，而通常由航天机构发射，并且通常是由多个国家联合努力的结果。

随着数字时代的到来，几乎所有数据在获得后不久就会公开。这使得天文学变得非常民主——任何人都可以重新分析几乎任何成为新闻的数据集。（你也可以查看导致发现数​​千个黑洞的钱德拉数据！）

这些天文台产生的数据量惊人。例如，自 1990 年投入运行的哈勃太空望远镜已进行了超过 130 万次观测，每周传输约 20 GB 的原始数据，对于 20 世纪 70 年代首次设计的望远镜而言，这已经令人印象深刻。智利的阿塔卡马大型毫米波阵列现在预计每天将向其档案库中添加 2 TB 的数据。

数据流

天文数据档案已经非常庞大。但数据量即将爆发。

每一代天文台的灵敏度通常至少比上一代高 10 倍，这要么是因为技术进步，要么是因为任务规模更大。根据新任务的运行时间，它可以探测到比之前任务多数百倍的同一波长的天文源。

例如，将 20 世纪 90 年代投入使用的早期 EGRET 伽马射线天文台与美国宇航局的旗舰任务费米（今年已满 10 岁）进行比较。EGRET 仅在天空中探测到大约 190 个伽马射线源。费米已经探测到超过 5,000 个。

大型综合巡天望远镜是智利目前正在建造的光学望远镜，每隔几晚就会对整个天空进行成像。它的灵敏度非常高，每晚可以对新光源或瞬时光源发出 1000 万次警报，10 年后可生成超过 15 PB 的数据目录。

平方公里阵列将于 2020 年建成，届时将成为世界上最灵敏的望远镜，能够探测到距离地球 50 光年的外星文明机场雷达站。仅一年的运行时间，它产生的数据量就将超过整个互联网。

这些雄心勃勃的项目将考验科学家处理数据的能力。图像需要自动处理，这意味着数据需要缩小到可管理的大小或转化为成品。新天文台正在挑战计算能力的极限，需要能够每天处理数百兆字节数据的设施。

由此产生的档案（全部可公开搜索）将​​包含比典型的 1 TB 备份磁盘上存储的信息多 100 万倍的信息。

解锁新科学

数据洪流将使天文学成为一门比以往任何时候都更具协作性和开放性的科学。得益于互联网档案、强大的学习社区和新的推广计划，公民现在可以参与科学研究。例如，借助计算机程序 Einstein@Home，任何人都可以利用计算机的空闲时间来帮助搜索碰撞黑洞产生的引力波。

对于科学家来说，这也是一个激动人心的时刻。像我这样的天文学家经常研究超出人类寿命范围的物理现象，因此实时观察这些现象是不可能的。像典型的星系合并这样的事件——听起来就是这样——可能需要数亿年的时间。我们所能捕捉到的只是一张快照，就像车祸视频中的一帧静态画面。

然而，有些现象发生的时间较短，仅需几十年、几年甚至几秒钟。这就是科学家在新研究中发现数千个黑洞的原因。这也是他们最近意识到附近矮星系中心的 X 射线辐射自 20 世纪 90 年代首次探测到以来一直在减弱的原因。这些新发现表明，在跨越数十年的档案数据中将发现更多。

在我自己的工作中，我使用哈勃档案制作“喷流”的电影，喷流是从黑洞中喷射出的高速等离子体。我使用了 13 年来拍摄的 400 多张原始图像，制作了附近星系 M87 中喷流的电影。这部电影首次展示了等离子体的扭曲运动，表明喷流具有螺旋结构。

这种研究之所以能够进行，是因为当我还在上幼儿园的时候，其他观察者出于其他目的，恰好拍摄到了我感兴趣的光源的图像。随着天文图像变得越来越大、分辨率越来越高、灵敏度越来越高，这种研究将成为常态。

艾琳·迈耶 (Eileen Meyer) 是马里兰大学巴尔的摩分校的物理学助理教授。本文最初发表于 The Conversation。