日前发布的国家“十五五”规划纲要对航天强国建设提出要求，其中深空探索作为航天技术的前沿阵地，承载着向更远宇宙进发的重任。如今，我国科学家研发的AI天文观测增强模型“星衍”（ASTERIS）成功突破天文观测深度极限，大幅提升了空间天文台詹姆斯·韦布空间望远镜的探测能力。这项近日发表在国际学术期刊《科学》上的研究成果，让人们看到了AI在天文领域的巨大潜力。今天，我们请知名科普作者张田勘来说说“星衍”赋能深空探测的独特优势。

人类如何“丈量”宇宙

现代人观测宇宙主要通过四大核心手段：多波段电磁波探测（涵盖光学、红外、射电、X射线等）、引力波探测、宇宙射线与中微子探测，以及空间探测器原位探测。其中，依赖地面光学望远镜、射电望远镜、巨型望远镜阵列（如“中国天眼”）和空间天文台（如哈勃、韦布空间望远镜），可实现对宇宙结构、演化及极端物理过程的深入研究。

哈勃空间望远镜（HST）作为光学望远镜的代表，由美国国家航空航天局（NASA）和欧洲航天局（ESA）合作研发，1990年发射升空，运行在约540千米高的地球轨道，配备2.4米主镜，于可见光、紫外和近红外波段工作。它是人类历史上最重要的科研仪器之一，其核心成果包括初步揭示宇宙膨胀速度、深空星系演化及黑洞等奥秘。

韦布空间望远镜（JWST）是红外与紫外望远镜的代表，为哈勃空间望远镜的继任者，由NASA、ESA和加拿大国家航天局联合研发，主镜口径6.4米，观测面积为哈勃空间望远镜的5倍以上。它于2021年12月发射，可在接近绝对零度（-273.15℃）的环境中运行，最大贡献是发现了距今135亿年的宇宙最早星系（几乎不含重元素）。

“中国天眼”（500米口径球面射电望远镜）作为射电望远镜的标杆，自2020年投入使用以来，已发现900余颗新脉冲星（数量为国际同期其他望远镜的3倍以上），并在纳赫兹引力波、快速射电暴等领域取得一系列重要突破，能穿透星际尘埃研究遥远星系和脉冲星。

一个现实问题是，空间望远镜面对宇宙的深邃无底、边界无垠，也存在深空观测瓶颈，主要原因是硬件升级受阻、宇宙噪声干扰、传统降噪方法有局限。

AI三招助力深空观测

在此背景下，中国研究人员将穿透宇宙“迷雾”的希望寄托于近年来快速发展的AI技术。中国工程院院士、清华大学自动化系教授戴琼海团队联合清华大学天文系副教授蔡峥团队，研发出人工智能天文观测增强模型“星衍”，如同一束强光照进了天文观测领域的模糊空间。

以哈勃空间望远镜和韦布空间望远镜为代表的天文观测与研究，已积累并公开了海量数据。中国研究团队用这些公开数据“投喂”AI，为模型训练提供丰富的“养料”。同时，研究团队创新设计了“星衍”的核心算法：独特的光度自适应筛选机制。具体来说，“星衍”不再将背景噪声视为随机干扰，而是对噪声的涨落规律与星体本身的光度特征进行联合建模，引导AI专注于暗弱信号的提取与重建；首次采用“分时中位，全时平均”联合优化策略，通过中位数统计剔除宇宙射线等瞬态干扰，通过加权平均（一种统计方法）最大化暗弱信号的信噪比；建立全新的天文学AI评价体系，以“探测能力、形态保真、测光准确”为核心评价指标，将深空图像重构为时、空、光交织的三维体，既提升深度又保证数据严谨。

研究团队还为“星衍”设定了目标——区分正确信号和周边噪声，并在算法加持下，为其“投喂”足够的空间图像数据，进一步强化模型的算力。最终，“星衍”对信号与噪声的理解展现出惊人的能力：探测暗弱天体的完备度提升1.0个星等、探测准确度提升1.6个星等。星等是天体亮度的衡量标准，通常指“视星等”，即从地球上所见天体的亮度，数值越低，星体越亮。

探测深度提升1.0个星等，这相当于把韦布空间望远镜的等效口径从6.4米拓展至近10米量级。如果韦布空间望远镜之前能看到位于宇宙边缘一个10瓦的灯泡，现在有了“星衍”的助力，便能看到一个3-4瓦的灯泡。依靠这一技术的突破，研究团队发现的极暗弱高红移候选天体数量是以往研究的3倍。高红移星系是宇宙大爆炸后不久（如3亿-4亿年）形成的“婴儿”星系，完整保留着宇宙早期的恒星形成特征。观测它们，可为理解“宇宙如何诞生”这一核心难题提供了全新的科学依据。

“AI+天文”为科研提供全新范式

“星衍”取得的成果远不止于此。依托“星衍”，研究人员成功绘制出目前人类所能观测到的最深邃、最暗弱的早期极致深空星系图像——这些星系距离地球超过130亿光年，承载着宇宙诞生初期的原始数据与影像。作为当前国际上已知探测深度最深的深空影像，它们将为人类探索宇宙黎明时代的星系起源提供全新的关键数据支撑。

“星衍”的另一大核心优势在于其强大的泛化能力。作为一种融合时间、空间、光度的多维智能学习方法，它无需依赖人工标注，仅通过已有的天文观测数据就能完成训练，这一特性使其能够轻松跨越不同观测平台与探测波段。它能够兼容多种探测设备，成为通用型数据增强平台，除了深空探测之外，还适用于遥感、星地通信、态势感知等多个领域。

总之，“星衍”的诞生为中国深空探测提供了重要思路：在硬件研发不断突破的同时，AI等智能技术可成为低成本、高效率的提升路径。这种“AI+天文”的交叉模式，为基础科研提供了全新范式：无需依赖昂贵的硬件升级，通过算法创新即可突破观测极限。

来源：北京日报客户端

记者：汪丹