AREX Feed Article
Anthropic 称天体物理学家借助 Claude Science 数天做出首张完整紫外全天图,约三分之一天区靠统计推断补齐
北京时间 10 月 9 日凌晨,Anthropic 在其官方 X 账号称,天体物理学家 Brice Ménard 与 Claude Science 合作,做出了首张完整的紫外(UV)全天图。帖文说,天文学家此前已做出过从射电到伽马射线各波段的完整全天图,但天空的大片区域从未在 UV 波段被观测过;这项工作原本需要人类数周,借助 Claude 只用了数天,期间 Ménard 还在处理其他项目。
Anthropic 官网同日刊出由 Ménard 撰写的《The missing map of the sky》。据博客介绍,他是约翰斯·霍普金斯大学的天体物理学家,也是 Anthropic 的研究员;他所用的 Claude Science 是 Anthropic 今年 6 月 30 日发布的、,发布时为 beta 版。按博客的说法,约三分之一的天区(包括银河系盘面的很大一部分)从未有过 UV 观测,最终由统计推断补出。
臭氧层与 GALEX 留下的缺口
Ménard 在博客中写道,他在课堂上会先让学生比较同一片天空在不同波段下的样子:可见光主要看到恒星,红外显示沿银河分布的尘埃,射电波段里氢气浮现,X 射线则显露出恒星爆炸、物质落入黑洞这类剧烈现象。而在 UV 波段,可以看到被星光点亮的尘埃、年轻恒星周围的云气、恒星爆炸留下的环;可每讲到这些,他总得先道歉:当时能给学生看的,只有一张布满空洞的 UV 图。
UV 会被地球大气的臭氧层吸收,观测必须到太空进行。博客说,过去 50 年里,空间望远镜陆续在 UV 波段观测并公开数据,但覆盖始终不全。最大的一份来自 NASA 的 GALEX 任务:2003~2013 年间,它以约 38,000 次观测拍下约三分之二的天区;为降低损伤卫星探测器的风险,GALEX 刻意避开了包含特别明亮恒星的区域,银河系盘面(恒星最密集的扁平圆盘)因此留下大片空白。NASA 的 Swift 与韩国的 FIMS/SPEAR 等望远镜补上了更多数据,合起来仍有不少缺口。
用统计技术估算缺失数据、做出完整 UV 图的方法早已存在,但博客说,做到位意味着逐像素的精细校准与反复分析,这类工作常被更紧迫的研究挤到一边。Ménard 写道,大多数领域都有这样一批项目:本可以解释某个关键概念,或帮到其他研究者,却始终没被排上日程。
统计推断如何补上从未观测的天区
今年夏天,Ménard 决定用 Claude Science 把这件积压的事做完。任务说起来简单:收齐所有可用的 UV 数据集,放到同一尺度上,合并成一张图,再把从未被任何 UV 望远镜观测过的每一块天区补全。
执行工作由 Claude 调度的一支 agent(智能体)团队完成。这些 agent 先在网上检索公开的 UV 巡天数据(GALEX 一家就有数万张图像),下载后要抹平不同时期观测之间的差异,尤其得处理亮星造成的眩光:恒星会在太空望远镜的图像里留下类似地面照片中太阳或路灯的光晕,光晕不除,恒星周围的暗弱 UV 光就测不准。
接下来是把巡天数据合并到一起。这些数据来自不同望远镜上的不同仪器,每台仪器拍到的 UV 天空都有细微差别,需要相互校准、按同一分辨率重绘、映射到同一坐标系。Ménard 说,对这一步他只给出高层指令,由 Claude 把任务分派给多个 agent。
最难的是填空。博客说,Claude 采用机器学习中常见的 inpainting(图像修补):先在被 UV 覆盖过的天区上学习 UV 亮度与可见光、红外、射电等其他波段观测之间的关系,再把这一关系套用到没有 UV 数据的地方,逐点给出估计值和置信程度。为检验精度,Ménard 让 Claude 把已有 UV 数据的一部分故意藏起来再补回去;经过数轮改进,补出的值与真实测量相差约 10%,用他的话说,差异几乎肉眼不可分辨。
最后,Claude 在这层修补出的漫射背景上,又叠加了由欧洲空间局(ESA)Gaia 卫星的可见光测量反推的、超过 1 亿颗恒星的 UV 估计。第一版完整的 UV 全天图就此完成。
淡圆盘,与两轮没抓住它的审查
一天晚上,Ménard 翻看处理好的图像,在最暗的一片天区里发现了一些淡淡的圆圈,每一个都比周围略亮或略暗。
它们其实是 GALEX 单次观测留下的脚印。GALEX 每次曝光拍下的是一块圆形天区,其中混着一点来自地球大气、并不完全均匀的 UV 辉光;辉光没有除净时,对应的圆盘就会比周围亮一点或暗一点。
博客写道,Claude 在项目开始时就把这个问题列为已知问题,但地图仍通过了其他 agent 的两轮审查,没有被发现。Ménard 对 Claude 说:「我能看到单个观测留下的圆盘印记,你能修正吗?」agent 们追查后定位到残留的大气辉光,Claude 随后在全部 38,000 次观测中修正了这一辉光;处理几个小时后,圆盘消失了。
十多个版本与一张教学用图
Ménard 说,协作按一种固定节奏推进:他会先在 Claude Science 里进行几轮交流、规划下一步,Claude 随后独立计算数小时,他则回去处理自己的其他项目。他和 Claude 先后做出十多个版本,每一版都比上一版更精细。
完成图里留下了不少结构:明亮年轻恒星周围发光的尘埃云,大质量恒星爆炸吹出的气泡所形成的巨大尘埃环与弧线,远离银盘、被整个星系星光照亮的暗弱尘埃纤维;银盘下方是大麦哲伦云与小麦哲伦云,这两个邻近的小星系因年轻恒星而明亮。
博客说,这张图将是有用的教学工具,学生可以细看这一波段下银河系的丰富结构,页面里还嵌有可在 UV、可见光和红外之间切换的半交互视图。帖文则把这项工作当作一个例子:那种「科学家一直抽不出时间去做」的缓慢、低优先级工作,如今因 AI 而变得可行。
数据来源与分工
博客的致谢列出了测量数据来源:GALEX 与 Swift(NASA)、FIMS/SPEAR(韩国)、TD-1(欧洲),以及 Planck 与 Gaia(ESA)。Ménard 写道,自己的贡献仅限于引导,把这张图拼起来所需的「耐心的劳动」由参与 Claude Science 的许多 agent 完成。
「首张完整的紫外全天图」的说法来自 Anthropic 的帖文与这篇博客;Ménard 写道,这一次他终于可以推进这类项目,而不必牺牲本该用于研究的时间。地图另有附加图层,把每个像素标为「measured」(测量)或「predicted」(预测),并给出不确定度估计。