一场脉冲星演奏会背后硬核AI的浪漫科普

　　镜头从地面移向夜空，无垠的黑色转变为蓝色星云，6颗＂脉冲星＂相继出现，发出特别的声音。
　　这是9月23日晚在＂寻找宇宙心跳＂脉冲星演奏会直播间的一幕，由AI助力中国天眼FAST发现的6颗脉冲星的＂声音＂被首次公布，网友听到来自数万光年外天体的音频信号，一种遥远但亲切的声音。这些声音由脉冲星发射的射电信号转化而来，被称为＂宇宙心跳＂。
　　脉冲星，1967年首次被探测到，是20世纪60年代天文学四大发现之一。23日晚，这种遥远的天体距离人类如此之近——一场带有＂宇宙级浪漫＂色彩的＂仪式＂，让天文，这门专业而小众的学问，被600万网友关注。
　　这背后，是一场更长的跋涉，关于＂科技创新＂的＂科学普及＂。
　　视频注释：9月23日，腾讯优图实验室携手国家天文台、复旦大学计算机科学技术学院、澎湃新闻发起＂寻找宇宙心跳＂脉冲星演奏会，在节目中＂开箱＂了6种＂宇宙心跳＂
　　一个需要解答的问题
　　2015年10月，正当＂中国天眼＂FAST工程建设进入反射面单元吊装的最后冲刺阶段，有人在知乎上提了一个问题：中国造500米直径世界最大的射电望远镜搜索外星文明的意义何在？
　　在这个问题下，一位天文科普博主回答了一句话：＂这望远镜能干的事里洋洋洒洒一大堆，大部分纳税人只看到或者说看懂了外星人三个字。＂
　　虽然每一次太空探索都会激发起一股公众层面的＂天文热＂，但不可否认，天文依然是一门＂冷门＂的学科，＂手可摘星辰＂是一种浪漫的幻想，光年外的故事和普通人的距离依然遥远。
　　图注：＂中国天眼＂FAST，中国有史以来最大的天文工程
　　但＂冷门＂的天文学，却代表着人类最本初的好奇心和想象力。
　　在毕业于中国科学院国家天文台、如今是复旦大学计算机科学技术学院博士后的王珅眼里，天文是一门古老的学科，又是一门年轻的学科；同时，它既是一个昂贵的学科，也是一个＂普惠＂的学科。
　　说它古老，是因为从我们的祖先起，就开始仰望星空用于指导人类的生活，许多古人的观测方法，到今天依然适用；说它年轻，是因为数学、物理方法的应用以及先进的观测工具在近几十年的进步，使得这门学科有了爆炸性的发展；
　　说它昂贵，是因为尖端天文学成果高度依赖于昂贵的观测设备；说它＂普惠＂，是因为我们只要抬头就能看到星空，对星空有任何的思考，都能提高自己的科学素养。
　　如何做好天文科普，让大众了解自己的工作，甚至从中激发对科学的热情，这是FAST团队以及天文工作者需要解答的问题。
　　FAST的科普之路
　　＂FAST这样一口‘锅’，如果把它装上米饭，全世界大概每个人能有2碗。＂在2020年央视《开讲啦》现场，李菂为现场和电视机前的观众做了一场关于FAST的趣味科普。
　　作为时任FAST项目副总工程师、后来接任南仁东担任FAST项目首席科学家的李菂，他从2007年起就开始参与到FAST工程中，2012年，他全职回到国内，全身心投入到FAST建设中来。
　　除了＂科学家＂的身份，他还是一位＂科普家＂。在央视《开讲啦》、东方卫视《未来中国》等电视节目上，李菂常常化身＂十级段子手＂，用生动诙谐的语言向大众进行科普，FAST除了寻找外星人还能做什么。
　　其中之一便是对脉冲星的发现和研究。脉冲星是高度磁化的、快速旋转的中子星，由大质量恒星在生命末期经历超新星爆发形成，物质密度仅次于黑洞。其特征是一个规律性的稳定信号，当脉冲星的极冠转到地球视线的方向，我们便可检测到其辐射信号。
　　做一个形象的比喻，脉冲星就好比航海的灯塔，也是天文与物理学者孜孜追寻和醉心研究的目标。
　　图注：地球上导航需要GPS，星际导航需要脉冲星，通过脉冲星可以得出飞船在宇宙的所在位置
　　长期以来，脉冲星都是天文、物理的前沿研究对象，可用于引力波探测、黑洞等相关研究，有助于解答许多重大物理学问题。由于脉冲星主要通过射电波段进行探测，对脉冲星的发现和研究，是国际上大射电望远镜关键科学目标之一，也是科学前沿探索的必争之地。
　　FAST的全称是五百米口径球面射电望远镜（Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope），不仅是世界最大口径的单天线射电望远镜，还拥有其他射电望远镜难以企及的灵敏度，因此也成为了天文研究者眼里的＂脉冲星发现利器＂。
　　为更好地向大众科普这一特点，FAST团队几年前开始尝试将观测到的脉冲星信号转化成音频。几年前，中国科学院大学在录取通知书里为本科新生寄送了一张＂黑胶光盘＂，光盘上便刻录了通过中国天眼FAST捕获的15颗脉冲星音频信号。
　　而这种特别的跨界形式，在3年后有了新的呈现，一首首单独的音乐作品，将变成一场特别的＂科普音乐会＂。但在此之前，除了大众科普，FAST团队正在琢磨一件同样重要的事，在脉冲星探测上，他们遇到了一个问题。
　　新的＂入局者＂
　　理论上讲，发现一颗新的脉冲星只需要三步：第一步，用射电望远镜观测天空；第二步，记录信号；第三步：找出符合条件的周期性稳定信号。但正如同＂把大象装进冰箱＂的问题一样，越是简单的步骤背后，其实现过程就往往越是复杂。
　　FAST团队遇到的问题正是在第三步：如何从海量的观测数据中找到符合条件的信号。FAST接收到脉冲星微弱的射电信号，经过一系列物理处理，会被转化为一张＂信号图＂，科学家需要通过＂识图＂来筛选脉冲星候选体。
　　据估计，天眼FAST每周大约产生500TB的观测数据，这些数据经过预处理后，大约会产生3千万-1亿张信号图，仅靠FAST团队自己的技术模型，很难快速处理如此庞大的数据。
　　图注：FAST接收到脉冲星的射电信号，转化为＂信号图＂
　　就在FAST团队正在思考如何提高信号处理效率的时候，在上海腾讯优图实验室，一场头脑风暴正在展开。
　　脑暴的主题是＂AI For Science＂：AI如何和基础科学做结合。会上讨论的结果，有望成为腾讯优图接下来的一个创新探索方向。包括虚拟孪生、光计算、新材料等不少创新的方案被提出。
　　最终选出的，是由一名青年研究员王亚彪提出的＂AI+天文＂的方案，成为后来＂探星计划＂的雏形。
　　王亚彪也是一名天文爱好者，他了解到此前国家天文台正是通过＂识图＂来筛选脉冲星候选体，复杂的＂探星＂问题，可以转化为AI的计算机识别问题，而这正是腾讯优图擅长的。同时，海量的数据处理需要强大的云算力支持，腾讯云正好帮得上忙。
　　很快，王亚彪和李菂见了面，双方一拍即合，并且联合此前已经在AI探星上有过研究的复旦大学计算机科学技术学院，开启了一场寻星之旅，通过腾讯＂云+AI＂的加持，帮助FAST探测脉冲星，＂探星计划＂正式启动。
　　合作比想象中顺畅，AI助力FAST对脉冲星的搜寻速率提升了120倍，并且很快迎来第一次成果公布：发现了22颗脉冲星，并且启动了对河外星系M31仙女座星系中脉冲星类致密天体的最深度完整探测。
　　但这并非腾讯＂入局＂的全部——这个结果让人兴奋，但又面临着下一个问题。
　　星辰大海固然美好，但是对于一般人来说，天文小众且专业，大多数人并不懂，脉冲星更是和普通人的生活＂八杆子打不着＂，＂星辰大海如果没人关注，就变成了小众圈子的狂欢。＂
　　＂我们需要一场大众科普。关于脉冲星，关于FAST，关于AI探星。＂腾讯决定加入天文工作者一直在做的＂科普之旅＂，因为科技创新和科学科普同样重要。
　　宇宙心跳
　　科普的方式有很多种，关键是怎么能让普通人也能关注和参与。
　　很快，FAST团队在尝试的＂特别的科普形式＂引起了腾讯团队成员的关注——关于脉冲星会＂唱歌＂这件事。他们还发现，中国科学院大学那张黑胶光盘里的脉冲星音频，听起来就像是不同的＂音乐鼓点＂
　　＂要不用脉冲星信号转成的声音做场演奏会吧！＂团队有人受到这个创意启发，提出了一个新点子，天文数据音频化已有成功先例，但是用脉冲星的声音开演奏会却鲜有听说。
　　这两年，各种线上演唱会直播常常出圈，成为大众最喜闻乐见的形式。通过线上音乐会的形式，可以让更多普通人了解到AI等技术对脉冲星研究的科技创新价值，了解到中国的天文事业。新点子符合大家对做科普的初衷，很快被采纳。
　　团队迅速找到了探星计划的主创人员之一王珅，请教脉冲星射电信号实现音频转换的可能性。王珅毕业于国家天文台，而他在脉冲星信号音频转换上，也研究出一个全新的技术路径：＂基于FAST漂移扫描短暂的观测数据，可以用一种新的技术路径实现对脉冲星数据的音频化，进而谱写成完整的音乐＂——让AI发现的颗脉冲星＂唱歌＂，成了他的新任务。
　　只不过不同于以往，这次的演奏会，脉冲星是主角。而脉冲星的声音，听起来就像是＂宇宙心跳＂，这也成为演奏会的主题。
　　用最大众化的方式讲最硬核的技术，项目成员，准备办一场科学+艺术结合的＂科普音乐会＂。
　　一场特别的演奏会
　　所有的光芒，都需要时间才能被看到。
　　9月23日，＂寻找宇宙心跳＂脉冲星演奏会直播开启。
　　演奏会中音乐人所采用的脉冲音频信号，正是来自于＂探星计划＂发现的22颗脉冲星，在有的歌里，甚至可以＂听见＂8颗脉冲星的＂心跳声＂。在音乐人高姗眼里，这份来自脉冲星的浪漫更为实际，＂可能是，通过音乐的振动把科学的振动传递给大家吧。＂
　　＂探星计划＂的三位主创成员，与星空摄影师、7位新锐音乐人一起，共同畅谈星空和脉冲星探索，对天文现象、脉冲星探测、科技探索宇宙进行公众科普，超过600万名观众在线感知脉冲星的心跳，聆听以AI探索宇宙的故事。在＂最长的安可＂，多地星空慢直播环节，众多网友在直播间观星和许愿，电台主播通过宇宙相关的音乐、电影、文学话题，将网友思绪引入太空。这场＂安可＂直到凌晨5点结束，来自脉冲星的＂宇宙心跳＂在直播间里彻夜不停。
　　＂凌晨一点至五点，这次宇宙不仅为你闪烁，还为你演奏。＂直播间里，有人改写了《三体》的一句经典台词。
　　图注：探星计划主创人员现场科普讲解脉冲星（从左到右：复旦大学计算机科学技术学院池明旻课题组博士后王珅（毕业于国家天文台）、腾讯优图实验室专家研究员王亚彪、复旦大学计算机科学技术学院副教授、博士生导师池明旻、澎湃新闻主持人唐屹）
　　对于演奏会，复旦大学计算机科学技术学院副教授池明旻认为这是一种＂有趣而且效果非常好＂的科普形式。宇宙的奥秘一直激发着人类的好奇心和想象力，她也希望社会各界能在科普教育上做更多的创新尝试，激发年轻人的好奇心，投身到从0到1的探索中来。池明旻谈到了之前在南非考察的经验，惊讶于当地天文科普推广的成熟度，＂他们在天文台下一圈都有帐篷，那是让人们来仰望星空的地方，所以科普可以尝试的形式有多种。好的科普，应当是有趣的科普。＂
　　王亚彪则则想起了10岁左右时看过的一本叫做《外星人回答101》的书，他从这本书了解到＂光年＂的概念，并萌生了对天文的兴趣。他想，也许有另一位孩童看到今天的演奏会，也会种下一个＂天文梦＂。
　　在未来，优图实验室考虑在＂探星计划＂的基础上，把AI技术和天文结合的案例进行持续的科普，并继续探索新的科普方式，向青少年传播AI技术和天文知识。
　　图注：网友们在＂最长的安可＂直播间互动
　　对于之前花了不少精力做科普的FAST来说，这是一个好消息。
　　如培根所言，知识的力量不仅取决于其本身价值的大小，更取决于它是否被传播，以及传播的广度和深度。有腾讯优图实验室这样既懂技术又懂传播的生力军辅助科学家做科普，不仅有助于减轻科学家的负担，促进更多科学成果的产出，还有望激发更多年轻人的参与和兴趣。
　　这也是AI与基础科学结合的价值——就像电影《风语者》的情节，一门再小众的语言，也会起到难以估量的巨大作用；而在AI的加持下，之前属于少数人才能理解的＂与星星的对话＂，也会吸引到更多人投入其中，迸发出更绚烂的光彩。
　　2022年1月5日，中国科学院国家天文台举行新闻发布会，令人期待的一条消息是，＂中国天眼＂正在考虑拿出1%的观测时间对全国的中小学生开放，＂给他们一个平视世界的基础。＂
　　＂中国天眼之父＂南仁东曾说过一句话：＂天眼是为下一代人建设的。＂2017年9月13日，当FAST首次发现第一颗脉冲星时，李菂给正在住院的南仁东发了一个简短的邮件汇报这一里程碑成果。虽然李菂至今无法确认，南仁东是否看到了这封邮件，但他相信，在AI等新技术的帮助下，新一代的天文工作者能拥有远远超过现在的想象力，利用天眼取得更大的成绩。
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