作者艾伦·杜布罗，德克萨斯大学奥斯汀分校 仍然是模拟单个星系的形成，开始于宇宙只有几百万年的时候
学分:加州理工学院霍普金斯研究小组 天文学家可以在整个职业生涯中没有发现新的天体
但是对于加州理工学院理论物理博士后林娜·内奇布来说，在超级计算机、盖亚太空天文台和新的深度学习方法的帮助下，在银河系中发现了一群恒星，但不是从银河系中诞生的，来得很早
内奇布和她的合作者在本周的《自然天文学》中描述了倪克斯，一个位于太阳附近的巨大的新恒星流，这可能提供了一个矮星系与银河系合并的第一个迹象
这些恒星流被认为是球状星团或矮星系，在被完全破坏之前，它们在潮汐力的作用下沿着轨道伸展开来
倪克斯的发现走了一条迂回的路线，但这条路线反映了当今天文学和天体物理学研究的多面性
宇宙之火 Necib研究银河系中恒星和暗物质的运动
“如果有任何恒星团以特定的方式一起运动，这通常会告诉我们它们一起运动是有原因的
" 自2014年以来，加州理工学院、西北大学、加州大学圣地亚哥分校和加州大学伯克利分校以及其他机构的研究人员一直在开发高度详细的现实星系模拟，作为名为“现实环境中的反馈”的项目的一部分
这些模拟包括科学家所知道的关于星系如何形成和演化的一切
从时间开始的虚拟等价物开始，模拟产生了看起来和行为非常像我们自己的星系
绘制银河系地图 与火灾项目并行的是，欧洲航天局于2013年启动了盖亚空间天文台
它的目标是创建一个非常精确的三维地图，涵盖银河系内外大约10亿颗恒星
“这是迄今为止最大的运动学研究
天文台提供了10亿颗恒星的运动，”她解释说
“它的一个子集，700万颗恒星，具有三维速度，这意味着我们可以准确地知道一颗恒星的位置及其运动
为了理解银河系的结构，我们已经从非常小的数据集发展到了以前无法完成的大规模分析
" 倪克斯的发现包括将这两个主要的天体物理学项目结合起来，并使用深度学习方法对它们进行分析
模拟和天空调查都提出了一个问题:银河系是如何变成今天的样子的？ “星系是通过吞噬其他星系形成的，”内奇布说
“我们假设银河系有一段平静的合并历史，有一段时间，人们担心它有多平静，因为我们的模拟显示有很多合并
现在，有了许多更小的建筑，我们知道这里并不像看起来那么安静
拥有所有这些工具、数据和模拟是非常强大的
必须同时使用它们来解决这个问题
我们正处于能够真正理解银河系形成的初级阶段
" 将深度学习应用于盖亚 一张十亿颗恒星的地图是一件喜忧参半的事情:有如此多的信息，但几乎无法通过人类的感知来解析
“以前，天文学家不得不做大量的观察和绘图，也许还会使用一些聚类算法
但这已经不可能了，”内奇布说
“我们不能盯着700万颗恒星看，然后弄清楚它们在做什么
我们在这个系列项目中所做的是使用盖亚模拟目录
" 罗宾·桑德森(宾夕法尼亚大学)开发的盖亚模拟目录主要是问:“如果火模拟是真实的，用盖亚观察，我们会看到什么？” 内奇布的合作者布莱恩·奥斯特迪克(以前在俄勒冈大学，现在在哈佛大学)曾参与大型强子对撞机(LHC)项目，他有使用机器和深度学习处理大型数据集的经验
将这些方法移植到天体物理学为探索宇宙打开了一扇新的大门
奥斯特迪克说:“在LHC，我们有令人难以置信的模拟，但我们担心在其上训练的机器可能会学习模拟，而不是真正的物理。”
“同样地，火星系为训练我们的模型提供了一个极好的环境，但它们不是银河系
我们不仅要学习什么可以帮助我们在模拟中识别有趣的恒星，还要学习如何将这推广到我们真实的星系
" 该团队开发了一种方法来跟踪虚拟星系中每颗恒星的运动，并将这些恒星标记为要么诞生于宿主星系，要么作为星系合并的产物而增生
这两种类型的恒星有不同的特征，尽管它们之间的差异往往很细微
这些标签用于训练深度学习模型，然后在其他火灾模拟中进行测试
在他们建立目录后，他们将其应用到盖亚数据中
“我们问神经网络，‘根据你所学到的，你能给星星贴上标签吗？’”内奇布说
该模型对一颗恒星诞生于银河系之外的置信度进行了排名，范围从0到1
该团队创建了一个容许误差的截止值，并开始探索结果
这种将在一个数据集上训练的模型应用到另一个不同但相关的数据集的方法被称为迁移学习，可能充满挑战
内基布说:“我们需要确保我们不是在学习关于模拟的人为东西，而是真正了解数据中发生了什么。”
“为此，我们必须给它一点帮助，告诉它重新称量某些已知元素，给它一点锚的感觉
" 他们首先检查它是否能识别银河系的已知特征
其中包括“盖亚香肠”——大约60亿到100亿年前与银河系合并的矮星系的遗迹，具有独特的香肠状轨道形状
“它有一个非常具体的签名，”她解释说
“如果神经网络按照预期的方式工作，我们应该能看到我们已经知道的巨大结构
" 盖亚香肠就在那里，还有恒星光环——赋予银河系童话般形状的背景恒星——以及赫尔米流，这是另一个已知的矮星系，在遥远的过去与银河系合并，于1999年被发现
第一次看到:倪克斯 该模型在分析中确定了另一种结构:一个由250颗恒星组成的星团，随着银河系的圆盘旋转，但也向银河系的中心移动
“你的第一直觉是你有一只虫子，”内奇布回忆道
“你说，‘哦，不！’所以，我三个星期没有告诉我的任何合作者
然后我开始意识到这不是一个bug，它实际上是真实的，而且是新的
" 但是如果它已经被发现了呢？“你开始查阅文献，确保没人看过，幸运的是，没人看过
所以我得给它命名，这是天体物理学中最令人兴奋的事情
我称它为倪克斯，希腊的夜晚女神
这种特殊的结构非常有趣，因为如果没有机器学习，它将很难被看到
" 该项目需要在许多不同阶段进行高级计算
FIRE和最新的FIRE-2模拟是迄今为止尝试过的最大的星系计算机模型
九个主要模拟中的每一个——三个独立的星系形成，每个都有稍微不同的太阳起点——都需要几个月的时间在世界上最大、最快的超级计算机上进行计算
其中包括国家超级计算应用中心(NCSA)的蓝色水域，美国宇航局的高端计算设施，以及最近在德克萨斯高级计算中心(TACC)的踩踏事件2
研究人员使用俄勒冈大学的集群来训练深度学习模型，并将其应用于海量的盖亚数据集
他们目前正在使用世界上任何一所大学最快的系统Frontera来继续这项工作
“这个项目的一切都是计算密集型的，没有大规模的计算是不可能实现的，”内奇布说
未来的步骤 Necib和她的团队计划使用地面望远镜进一步探索倪克斯
这将提供关于溪流化学成分的信息，以及其他有助于他们确定倪克斯到达银河系时间的细节，并可能提供它来自哪里的线索
2021年盖亚的下一次数据发布将包含目录中大约1亿颗恒星的额外信息，使得更多吸积星团的发现成为可能
“当盖亚任务开始时，天文学家知道这是他们将要获得的最大的数据集之一，有很多值得兴奋的东西，”内奇布说
“但是我们需要改进我们的技术来适应数据集
如果我们不改变或更新我们的方法，我们就会错过数据集中的物理知识
" 加州理工学院团队方法的成功可能会产生更大的影响
“我们正在开发计算工具，这些工具将用于许多研究领域和非研究相关的事情，”她说
“总的来说，这就是我们推动技术前沿的方式
"
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