李惕碚:二十年磨一“慧眼”望远镜,数学基础与人工智能相同

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2017-07-19 19:53

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中国前些日子刚刚发射了第一个硬X射线调制望远镜,这个月的《中国国家天文》杂志也用了大量篇幅来揭秘这个神奇的望远镜。那么硬X射线调制望远镜长什么样?怎么工作?能得到什么?这么难的高科技我不懂啦……
为了给大家更好的解释硬X射线调制望远镜究竟是个什么鬼,和其中种种因缘际会,我们专访了中国科学院院士、中科院高能物理所研究员、清华大学教授李惕碚,给大家解密硬X射线调制望远镜的故事。
硬X射线调制望远镜证件照

中国的“哈勃”?
《中国国家天文》记者(以下简称“国天”)/
说到望远镜,我们都会想到哈勃。请问,硬X射线调制望远镜可以带来和“哈勃”望远镜一样的成像图像吗?
李惕碚(以下简称“李”)/
不能。因为“哈勃”和硬X射线调制卫星完全是在不同的波段上工作。“哈勃”是在光学波段,我们的卫星是在X射线波段。完全从分辨率来比较,HXMT是不可能赶上光学的“哈勃”的,高能波段的成像比光学波段要差很多。
另辟蹊径,直接解调成像
国天/ 硬X射线调制望远镜到现在已经经过了20年的发展。您最早提出了在硬X波段直接解调成像的想法,为什么您会提出用这样一种特别的方法来发展下一代硬X射线望远镜呢?
李/ 硬X射线望远镜的主要观测对象应该是黑洞,而当时黑洞发现得还很少。黑洞发现后当然要求成像,以便搞清楚黑洞的起源演化。黑洞在吸积物质,物质在落向黑洞的过程中会发热,从而发射出电磁波,遍及各个波段。吸积物质在最接近黑洞时,温度已经很高了,所发射的最主要是硬X射线,这个波段是黑洞辐射能量最集中的一个窗口。所以科学界有这样的共识:硬X波段是探测黑洞强引力场时最重要的一个波段、一个窗口。
硬X射线探测最大的困难是非常难以成像。因为对于高能量的光子很难聚焦,所以传统的成像方法就不再适用,如反射镜等。当时国际上非常先进的方法是编码孔径成像,这个方法要求的探测器或编码孔径都很复杂,仪器复杂,体积也大,造价也高,当时中国是承担不起的。尽管国际上的主流方法是编码孔径成像,但我们只能走另外的路,看有没有便宜的办法,所以就提出了直接解调成像。
这种方法的好处在于,可以用非成像的仪器,也就是空间分辨很差的仪器对对象做扫描,然后对扫描的数据用数学处理的办法来成像,或者说直接解调的方法。对于这个方法,我们经过了理论上的计算,在气球上对天鹅座X1做过观测验证,并且对国外非成像卫星的数据做过重新分析,可以得到大大优于相关项目团队发表过的成像结果。这是很长的一段路程,最终证明这个方法是可行的。
HXMT有效载荷正样件向卫星平台吊装

取经非线性数学与人工智能
国天/ 在硬X射线观测上进行直接解调是一种很新的想法,当初有没有人对此提出过质疑?
李:我们是在1993年到1994年正式提出了HXMT项目。在评审过程中,专家们对这个项目的科学意义都是很肯定的,唯一的疑虑就是成像方法是否可行,大家都拿不准,所以我们经过了十多年的时间来证明这个方法是可行的。
在一次我们给中国科学院周光召院长汇报的过程中,周院长提出了一个很重要的问题:直接解调采用非线性的数学迭代,而非线性数学的一个很重要的疑难问题在于是不是收敛的,是不是收敛到全局的最佳点。它可能有很多的极大和极小点,我们的方法是不是收敛到了一个局部最好位置,而不是全局最好位置。我回应道,这个问题非常重要,但我回答不上来,因为非线性数学太困难了。我只能说,通过大量的模拟计算,证明结果确实能满足我们观测的需要。
此后,我们一直试图正式回答周先生的这样一个很专业的、很重要的问题。最后我们发现这个方法和人工神经网络中一个叫做“霍普菲尔德网络”的非常重要的网络相似,后者就是一个非线性的反馈网络。数学家已经证明了霍普菲尔德网络是收敛的、稳定的,而且收敛到全局最佳。所以我们用间接方法和人工神经网络做类比,回答了周先生的问题。
2016年,人工智能AlphaGo战胜了围棋世界冠军李世石,引起了世界关注
但在很长时间里,天文学家对这个方法仍然持怀疑的态度。我们花了十几年时间,做了大量工作,来说服国内外天文学家相信这个方法是可用的,是正确的。最近几年,大家知道人工智能取得了长足的进展,例如AlphaGo。因为当年为了回答周先生的问题,我曾经关注过人工神经网络。我觉得非常疑惑,因为人工神经网络这些年在原理上并没有什么大的突破,霍普菲尔德网络仍然是唯一的被严格证明是收敛的、稳定的非线性网络。我请教了深度学习或人工智能的专家,他们说目前的技术仍然是基于原来的基础上,特别是霍普菲尔德网络的基础上,只不过网络变得更复杂了,网络运算得更快了,网络的节点更多、层次更多了而已。所以反过来讲,直接解调方法的数学基础,和现在取得了很重要发展的深度学习、人工智能是同样的。关键是谁能把它真正在计算上和观测上实现,让它取得很好的结果。
19岁的世界围棋第一人柯洁在人机对战中以0比3落败于人工智能AlphaGo

很多学者对直接解调方法长期有疑问,与当年很多人不相信机器可以在围棋上战胜人类相似,当时确实想不到人工智能能发展出很多让人匪夷所思的性能。一个原理上很新的想法,在相当长的时间内受到怀疑,这并不是一个很反常的事情,是可以理解的。
黑洞天文台
国天/ 这个项目经历了那么长时间发展,您觉得有什么影响吗?
李/ 现在技术已经发展了,发现的黑洞也至少提高一个数量级。但现在经过了20多年的发展,欧洲、美国都发射了编码口径成像卫星。虽然他们还是采用旧的编码孔径方法,不如我们的直接解调方法,但是他们的卫星已经在天上工作了十多年,积累了大量数据,所以已经发现了很多黑洞,留给我们发现的空间很小了。因此,我们现在的这颗卫星已经变得像一座天文台,从硬X射线扩展到软X射线、中能X射线等很宽的波段。
运气,状态,好团队
国天/ 您认为这颗卫星能够取得新的发现吗?
李/ 它有很好的成像性能,但是能否取得新发现,某种程度上也取决于运气。如果有新的爆发现象,也许能够取得新的发现。这首先要求我们的仪器要争气,能正常地工作。我得到的消息是,三个仪器现在状态都是正常的,这是很好的一个消息。第二,我们需要很好的天体物理队伍,能够从这些数据中充分挖掘出好的物理结果。我们现在已经有了这样一支很好的队伍。第三,还要靠点运气。
酒泉卫星发射场,搭载HXMT的长征四号乙运载火箭整装待发

独家技术?
国天/ 国外有无应用直接解调方法?
李/ 美国曾有大学做过样机,也曾经有人提出过相关建议,但他们没有做,因为我们中国的HXMT已经上马了。他们走的是另外一条路线,想办法在硬X射线波段实现聚焦成像,也取得了很大的成绩。
目标!最前沿!
国天/ 在HXMT的基础上,我们在硬X射线空间天文方面还将开展哪些工作?
李/ 在黑洞方面,HXMT的后续计划已经有了,现在正在努力争取国家支持,这个计划名为“X射线时间和极化探测器”。它引起了欧洲同行极大的兴趣,他们希望能够参加进来。我们希望能在十年左右的时间内发放一个更大型的硬X射线望远镜,从而真正走到世界最前列。我们希望通过国际合作来实现,但以中国为主导。经过20年发展,有些新的探测器都是我们自己研发的,包括CCD,而且性能很好,处于国际最前沿。所以对于后续工作,我们已经有了很好的基础,第一是我们的队伍,是非常好的,又很年轻。第二是我们的技术。我希望能通过HXMT的成功,让我们真正走到相关领域的最前沿。
(原标题:专访李惕碚 | 二十年磨一硬X射线调制望远镜)
责任编辑:虞涵棋澎湃新闻报料:4009-20-4009   澎湃新闻,未经授权不得转载
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