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星系动物园：你也是科学家
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William Keel 文 Shea 编译 |
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普通人参与星系分类成就了世界上最愉快同时也是最成功的一个公众科学项目。 故事的开始是这样的：两个天文学家一起走进了一个酒吧…… 由此可以引伸出数不尽的笑话，但这一次它却开启了“星系动物园”计划。全世界参与这个计划的人数已经超过了25万人，这一独特的研究伙伴关系也让参与者们站在了科学发现的最前沿。 2007年初的一个晚上，两位英国牛津大学的天文学家漫步走进了皇家橡树酒吧想去放松了一下，那里距离他们的天体物理实验室以及始建于18世纪的拉德克利夫天文台只有几个街区。研究生凯文·施温斯基（Kevin Schawinski）和博士后研究员克里斯·林托特（Chris Lintott）琢磨的话题渐渐超出了施温斯基的论文范围。在施温斯基的研究课题中，他不得不用自己的眼睛来从斯隆数字巡天（SDSS）的50,000个星系中挑选出他所感兴趣的样本。 受到了诸如美国航天局（NASA）“星尘在家”（Stardust@Home）项目——它邀请公众参与寻找“星尘”任务捕捉到的星际尘埃颗粒——成功的鼓舞，他们很快发现，当地的一些宇宙学家也考虑过通过类似的途径来促进对其他问题的认识，例如星系自转的相似性。林托特和施温斯基设想建立一个系统，其中的公众成员可以帮助对SDSS主要星系样本中的所有近100万个星系进行分类——即便不是非常详尽，但这一广泛的分类对于一系列的科学问题来说仍将是非常有用的。他们在一张餐巾纸上勾画出了这个系统的样子和界面的第一稿。“星系动物园”就此诞生了。  [图片说明]：英国牛津的皇家橡树酒吧是“星系动物园”发源地。版权：Royal Oak Pub。 出生的阵痛 幸运的时机再加上英国广播公司网站上的新闻报道立马引发了“井喷”。大量的用户试图注册并参与“星系动物园”使得提供数据服务的计算机发生瘫痪。美国约翰·霍普金斯大学的一个小组果断出手才化险为夷，同时也保住了这个项目。“星系动物园”因此也学会了要对公众高涨的兴趣做好随时的准备。 “星系动物园”开始时极为低调，仅仅是作为一名研究生想扩大筛选星系数量的一条途径。然而，它不仅已取得了一系列前所未有的科学成果，而且也成为了一个在互联网时代让全民参与科学研究的探索者。从这个意义上讲，“星系动物园”超越了“星尘在家”这样类似“免费操作工”的计划，它所感兴趣的是你的大脑。其最初的想法很简单，而且在行动上也容易上瘾。  在“星系动物园”中，志愿者会看到SDSS数据库里100万个星系中的某一个，然后将其分类成椭圆星系、旋涡星系、并合系统或者其他。“星系动物园”预计数千名参与者也许能在一年的时间里看完所有这些星系，因此他们力争确保拥有足够的计算资源。在“星系动物园”初始的计算机崩溃不到3年后，近25万人进行了总数超过6,000万次的分类。 “星系动物园”刚开张时询问的电子邮件蜂拥而至。因此，管理者建立了一个论坛，希望用户可以在无法得到回应的时候能互相帮助。这个论坛不仅成为了分享经验和帮助新人的场所，而且它还成为了科学成果的发源地以及把参与者紧密联系在一起的一种方式。志愿者们在论坛上张贴有趣的星系照片、征求意见、咨询有关分类的问题、讨论科学内涵。 “星系动物园”的部分知名度源自其聪明的决定和创办时的一点点运气。它用于星系分类的界面简洁明了，英语水平有限的人也能一目了然。对下一个跃然屏上的星系充满了好奇是驱使参与者不断点击的动力。当管理者把系统升级到“星系动物园2”时愈加体会到了这些特点的重要性。在“星系动物园2”中参与者会被要求回答有关明亮星系的更为细节化的问题。接受用户的反馈进而做出改进、维持参与者的兴趣被证明是一项巨大的挑战。  [图片说明]：“星系动物园”简单明了的分类界面。版权：Galaxy Zoo。 人的力量 随着参与者学习了有关星系、恒星、星团和星云的知识之后，“星系动物园”的管理者们也需要恰当地处理和参与者之间的关系。指导原则之一是，“星系动物园”的参与者不是“用户”，而是合作者。他们应该完全知晓计划的运作，所有项目都应该具有真正的科学目标，而不是漫无目的的（“不浪费任何一次点击”）。和论坛中不同的人打交道也被证明是有益的，“星系动物园”管理者把它比作应用心理学速成班。 那为什么不让计算机来做这一切呢？SDSS的数据都是接受过自动处理的，以此把恒星和星系区分开并且就每幅图像和星系结构之间的关系进行量化。天文学家和计算机专家已经在对天文图像中天体的自动评估识别上花了相当大的精力，由此来使得这个过程更客观，同时也可以快速处理、查询新的天文仪器所获得的更多数据。不过，对于很多这类的任务，计算机软件极不理想。 确定旋涡星系的模式、区分由相互作用或者是位置重叠所造成的星系扭曲、识别某个天体是否属于某个星系都被证明仅需要短暂的练习之后人就能达到比计算机高得多的准确度。事实上，下一轮的升级是利用“星系动物园”的结果来帮助训练软件使之更快、更准确，完成人机合作的螺旋式上升的下一步。      你指尖上的科学 “星系动物园”的参与者已经取得了超过其最初设想的科学目标。他们发现了红色旋涡星系和蓝色的椭圆星系，它们是背离星系形成和结构一般规律的离经叛道者。“星系动物园”还揭示出了旋涡星系和椭圆星系中超大质量黑洞成长历史间的差异，并促进了对合并星系特征的认识。 额外的科学成果则来自参与者在论坛上的讨论，这包括了用重叠星系测量尘埃吸收以及“星系动物园”的标致性发现、被称为“汉妮天体”的巨大电离气体云。尽管几十个参与者之前已经看过并对星系IC 2497进行了分类，但它却在几个星期后吸引了荷兰小学教师汉妮·范阿凯尔（Hanny van Arkel）的注意，她把它的图像贴到论坛上并问：“有人知道底下蓝色的东西是什么吗？” “星系动物园”管理者收集了已有资料来确定它的属性，但直到有了新的数据事情才被搞清楚。从英国到美国，“星系动物园”合作者的观测表明这是一团被不可见的类星体所照亮的、跨度为几万光年的气体云。这些观测也掀起了从射电到X射线在其它波段对汉妮天体的进一步研究。 迄今，欧洲韦斯特博克射电阵和多天线无线相联干涉仪网、美国基特峰WIYN望远镜、哈勃空间望远镜、星系演化探测器、雨燕γ射线天文台、朱雀X射线望远镜和牛顿X射线多镜面天文台都汉妮天体进行了观测。   从目前的数据可以得出两种前所未有的可能性：要么距离它最近的类星体就隐藏在它背后，被浓密的尘埃和气体所遮挡，甚至连X射线观测也没法发现它；要么这个类星体8～10万年前便已熄灭不再活动了。无论是哪一个都会对类星体和星系的有关认识产生强烈的冲击。 与汉妮天体极为类似的巨大电离气体云偶尔会在活动射电星系的外围被看到，在那里强大的紫外线辐射会照射到非常稠密的气体上。“星系动物园”的参与者发现，通过辨认它们在SDSS图像中的特殊颜色就能大大增加此类样本的数量，可以更好地和汉妮天体之间进行比较。一些参与者发起了“小汉妮天体”搜寻计划，至少有10个人在6个星期内检查了15,000个活动星系候选体。这一为进一步科学研究筛选目标的做法已经被证明是“星系动物园”的一个专长。 还有一些项目则完全是出于参与者自身的兴趣，而并非是“星系动物园”科学小组的。目前最值得注意的一个项目是识别一类具有极高恒星形成率的小型星系。后续观测会在参与者收集完SDSS数据并提交给“星系动物园”管理者之后展开。进一步的其他计划则会涉及不规则星系和近距高速星。 兴趣的力量是无穷的。一些参与者学会了数据库查询和脚本语言，能够在SDSS的数据库中寻找他们自己的项目所需要的目标，甚至进而成为多篇科学论文的合作者。“星系动物园”参与者在整个项目中的渗透程度令人印象深刻，他们已经成为了11篇科学论文的作者之一。 未来的“星系动物园” 随着参与者对明亮星系进行更为细致的分类，现在的“星系动物园”已经进入了第二阶段。在更广的层面上，它的范围也扩大到了“宇宙动物园”，接纳了更多的天文项目。 其中一个新的应用就是“并合动物园”，参与者会把并合星系的模拟结果和真实的图像进行比较。这是另一项人远胜于计算机软件的任务。再进行更为详尽且耗时的数值模拟以了解这些星系的物理特性之前，参与者会先挑选出最佳的匹配结果。“超新星动物园”的参与者将在大型望远镜进行后续分光观测前从误报中识别出超新星，“太阳风暴观察”则让参与者可以跟踪日地关系观测台两个探测器所观测到的太阳爆发。“哈勃动物园”则利用利用哈勃空间望远镜丰富的数据来触及遥远的宇宙，“月球动物园”则利用月球勘测轨道器所拍摄的图像统计环形山和石块的数量来研究月球的历史。  作为公众科学联盟的一部分，“星系动物园”团队也正在研究其方法和硬件设施的非天文应用，例如动物行为学等。展望天文学的未来，很显然人机合作伙伴关系必定会在全景巡天望远镜和快速反应系统（Pan-STARRS）以及大口径全天巡视望远镜（LSST）等新兴计划的作用下再次发生变化。对于这些远超出以往的海量巡天，“星系动物园”将会是用来训练和测试其自动化程序的最佳场所。 它如此有趣且有意义，为什么不加入我们一起到“动物园”实地考察一番呢？ |
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[Astronomy 2010年09月]
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2001-2018 火流星工作组制作
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