新智元報(bào)道

編輯：編輯部 JZYH

【新智元導(dǎo)讀】18歲天才高中生，利用AI竟發(fā)現(xiàn)了150萬(wàn)個(gè)隱藏天體，震驚全球。這篇獨(dú)著論文已登上天文學(xué)頂刊，或?qū)⒅μ剿饔钪嫫鹪粗i。為此，他斬獲了25萬(wàn)美元科學(xué)競(jìng)賽大獎(jiǎng)，直通斯坦福。

在NASA的2000億條數(shù)據(jù)中隱藏著150萬(wàn)個(gè)未知天體，而揭開(kāi)它們神秘面紗的，竟是一位美國(guó)高中生！

他就是Matteo Paz，來(lái)自加州南帕薩迪納高中的天才少年。

基于加州理工學(xué)院的研究，Matteo挖掘了美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）某項(xiàng)任務(wù)「沉睡的數(shù)據(jù)」，并以獨(dú)著身份在天文學(xué)頂級(jí)期刊發(fā)文。

憑借這項(xiàng)成果，他直接拿下了Regeneron科學(xué)人才搜索競(jìng)賽競(jìng)賽的25萬(wàn)美元獎(jiǎng)金。

2025年3月11日，Matteo Paz與加州理工學(xué)院院長(zhǎng)Thomas F. Rosenbaum在Regeneron科學(xué)人才探索獎(jiǎng)?lì)C獎(jiǎng)典禮上的合影。

目前，這項(xiàng)研究已于去年11月發(fā)表在《The Astronomical Journal》上，并在文中作了詳細(xì)闡述。

不過(guò)，該論文中并未提及的是，唯一作者只有18歲。

150萬(wàn)潛在天體，

18歲拿下25萬(wàn)美元獎(jiǎng)金

近日，來(lái)自美國(guó)加州的18歲高中生Matteo Paz，憑借將機(jī)器學(xué)習(xí)與天文學(xué)巧妙融合的卓越研究，在2025年Regeneron科學(xué)人才搜索競(jìng)賽（Regeneron Science Talent Search，簡(jiǎn)稱(chēng)Regeneron STS）中力壓群雄，斬獲一等獎(jiǎng)，并將25萬(wàn)美元獎(jiǎng)金收入囊中。

2025年Regeneron科學(xué)人才搜索競(jìng)賽獲獎(jiǎng)?wù)撸虚g為Matteo Paz

Regeneron科學(xué)人才搜索競(jìng)賽始于1942年，被譽(yù)為美國(guó)「歷史最悠久、最具聲望的高中生科學(xué)與數(shù)學(xué)賽事」，最初名為西屋科學(xué)天才搜索（Westinghouse Science Talent Search），旨在表彰并賦能那些有潛力的年輕科學(xué)家。

他利用AI，處理了來(lái)自NASA的2000億條數(shù)據(jù)，揭示了150萬(wàn)個(gè)先前未知的潛在天體。

在2013年12月，NEOWISE發(fā)現(xiàn)的第一顆近地小行星的運(yùn)行軌跡，紅色點(diǎn)表示移動(dòng)路徑。

接受采訪時(shí)，Matteo Paz坦言：「能參與競(jìng)賽已是榮幸，從闖入前十到最終奪冠，驚喜接踵而至，至今仍覺(jué)得像在做夢(mèng)。」

Matteo Paz站在后排，對(duì)自己獲得第一名的成績(jī)感到震驚。

在贏得25萬(wàn)美元獎(jiǎng)金后，Paz的下一個(gè)征途是大學(xué)。

他表示，自己已被斯坦福大學(xué)錄取。

就在參加頒獎(jiǎng)典禮的幾周前，Paz在帕薩迪納的家中醒來(lái)，透過(guò)窗戶看到外面烈焰翻騰。

伊頓山火（Eaton Fire）蔓延得極快，以至于他未收到任何官方警報(bào)。

伊頓山火（Eaton Fire）于2025年1月7日傍晚爆發(fā)，在天氣影響下，火勢(shì)迅速蔓延，共造成至少18人死亡，摧毀了9,000多座建筑，成為加州歷史上死亡人數(shù)第五高、破壞程度第二嚴(yán)重的野火

在疏散和數(shù)日的火情之后，他的家最終幸免于難。

這讓他有了新的視角。

現(xiàn)在，他正在思考是否有可能將一臺(tái)紅外望遠(yuǎn)鏡送入地球軌道——這次是為了監(jiān)測(cè)地球本身的新發(fā)火災(zāi)。

不過(guò)，眼下他更希望利用他在NEOWISE數(shù)據(jù)中的研究成果，探索宇宙從大爆炸以來(lái)的神秘膨脹速度，幫助科學(xué)家解開(kāi)宇宙學(xué)中最大謎題之一。

「這項(xiàng)工作要么能幫助解決當(dāng)前研究中一個(gè)極具爭(zhēng)議的問(wèn)題，要么將揭示一些關(guān)于宇宙起源的真正基礎(chǔ)性的東西。」

「追星」路上，偶得名師

早在小學(xué)時(shí)期，Paz對(duì)天文學(xué)的熱愛(ài)便已萌芽。

那時(shí)，母親常帶他參加加州理工學(xué)院的公眾觀星講座（Stargazing Lecture Series），璀璨星空就此在他心中種下探索的種子。

2022年夏天，他走進(jìn)加州理工學(xué)院，在Andrew Howard教授領(lǐng)銜的行星探測(cè)器學(xué)院（Caltech Planet Finder Academy），系統(tǒng)學(xué)習(xí)天文學(xué)與相關(guān)計(jì)算機(jī)科學(xué)知識(shí)，開(kāi)啟了更深入的學(xué)術(shù)探索之旅。

天文學(xué)教授：Andrew Howard

2023年，他參與了加州理工學(xué)院為期六周的暑期研究計(jì)劃（Summer Research Connection，SRC）。

該項(xiàng)目由教學(xué)、學(xué)習(xí)和推廣中心運(yùn)營(yíng)，旨在為當(dāng)?shù)馗咧猩ヅ湫@實(shí)驗(yàn)室導(dǎo)師，支持學(xué)生開(kāi)展科研實(shí)踐。

加州理工學(xué)院2023年Kirkpatrick小組SRC項(xiàng)目匯報(bào)

天文學(xué)家和IPAC高級(jí)科學(xué)家Davy Kirkpatrick擔(dān)任Paz的導(dǎo)師。

在過(guò)去的五年里，除了本科生、公民科學(xué)家和來(lái)訪的研究員之外，Kirkpatrick還指導(dǎo)過(guò)高中生。

天文學(xué)家：Davy Kirkpatrick

Paz很幸運(yùn)地遇到了導(dǎo)師Davy，Davy給予了他充分的自由和支持。他回憶道：

我記得在我們第一次交談時(shí)，我提到自己的目標(biāo)是發(fā)表論文，這個(gè)目標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了六周項(xiàng)目的周期。他非但沒(méi)有勸阻，反而欣然回應(yīng)：「好的，那我們來(lái)談?wù)劙伞?。

在研究過(guò)程中，他為我提供了充分的自主探索空間，而正是這種自由，使我在科研道路上得以迅速成長(zhǎng)。

Kirkpatrick成長(zhǎng)于田納西州的農(nóng)業(yè)社區(qū)，在九年級(jí)化學(xué)與物理老師Marilyn Morrison的助力下，圓了天文學(xué)家之夢(mèng)。

Morrison老師向他和母親點(diǎn)明其天賦，并悉心指導(dǎo)升學(xué)所需課程，為大學(xué)深造鋪路。

如今，Kirkpatrick希望將老師當(dāng)年的指引傳遞下去，他表示：「一旦發(fā)現(xiàn)別人的潛力，我一定會(huì)全力幫助他充分發(fā)揮出來(lái)。」

2025年Regeneron科學(xué)天才搜索一等獎(jiǎng)得主Matteo Paz手持獎(jiǎng)杯

但Kirkpatrick希望從NEOWISE（近地天體廣域紅外探測(cè)器）項(xiàng)目中獲取更多有價(jià)值的信息。

巡天功臣，澤被后代

NEOWISE是NASA已退役的紅外望遠(yuǎn)鏡。

在服役的十多年間，它不間斷地掃描整片天空，專(zhuān)注搜尋地球附近的小行星及其他天體。

NEOWISE在2024年底重返大氣層并安全燒毀

雖然NASA的NEOWISE望遠(yuǎn)鏡以觀測(cè)小行星為主要任務(wù)，但在運(yùn)行期間，它還敏銳捕捉到遙遠(yuǎn)宇宙物體的熱量變化。

這些天體有的會(huì)發(fā)出強(qiáng)烈閃光或脈動(dòng)，有的在相互遮掩時(shí)會(huì)出現(xiàn)亮度衰減，反映出宇宙天體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的多樣性和復(fù)雜性。

天文學(xué)家將這些亮度變化的現(xiàn)象統(tǒng)稱(chēng)為變星，其中一些類(lèi)型如類(lèi)星體、超新星和互相遮掩的雙星系統(tǒng)，因其變化不易捕捉而尤為復(fù)雜。

模擬的雙星系統(tǒng)亮度變化

然而，這些關(guān)于變星的數(shù)據(jù)尚未得到充分利用。

如果NEOWISE團(tuán)隊(duì)能夠識(shí)別這些天體并向天文界公開(kāi)相關(guān)數(shù)據(jù)，由此生成的變星目錄將有助于人類(lèi)深入理解宇宙天體隨時(shí)間演化的規(guī)律。

當(dāng)時(shí)，團(tuán)隊(duì)已積累超十年的探測(cè)數(shù)據(jù)，總數(shù)據(jù)量接近2000億行。

2024年，NEOWISE團(tuán)隊(duì)公布了項(xiàng)目的最終數(shù)據(jù)和未發(fā)現(xiàn)圖像

Kirkpatrick的設(shè)想是：

在夏天先選取一小塊天空進(jìn)行分析，看看能否從中找到一些變星。

然后，我們?cè)傧蛱煳慕缯故具@些成果，告訴他們「這是我們親自發(fā)現(xiàn)的新事物，想象一下整個(gè)數(shù)據(jù)集蘊(yùn)含的巨大潛力吧！」

AI下場(chǎng)，大顯身手

面對(duì)NEOWISE近2000億行的海量數(shù)據(jù)，Paz并未選擇手動(dòng)篩選，而是憑借在校積累的知識(shí)另辟蹊徑。

在一門(mén)融合了編程、理論計(jì)算機(jī)科學(xué)和數(shù)學(xué)的選修課上，他對(duì)AI產(chǎn)生了濃厚的興趣。

他深知，AI在大規(guī)模有序數(shù)據(jù)集上訓(xùn)練效果最好，而導(dǎo)師Kirkpatrick提供的數(shù)據(jù)恰好滿足這一條件。

幸運(yùn)的是，他完成了AP微積分（Advanced Placement Calculus）BC課程，具備了開(kāi)發(fā)機(jī)器學(xué)習(xí)模型所需的數(shù)學(xué)能力。

基于這些優(yōu)勢(shì)，Paz開(kāi)始構(gòu)建機(jī)器學(xué)習(xí)模型，對(duì)數(shù)據(jù)集進(jìn)行系統(tǒng)性分析，精準(zhǔn)識(shí)別潛在的變星候選體。

2014―2018年天文學(xué)中應(yīng)用深度學(xué)習(xí)的論文研究主題和各主題數(shù)量趨勢(shì)

在那六周里，他開(kāi)始構(gòu)建AI模型，該模型初見(jiàn)成效。

研究期間，Paz常向Kirkpatrick請(qǐng)教天文學(xué)與天體物理學(xué)知識(shí)。

談及這段經(jīng)歷，他總是難掩喜悅：

每次和Davy見(jiàn)面，我們只有10%的時(shí)間在討論工作，剩下90%的時(shí)間都在閑聊。能有這樣一個(gè)人可以一起暢談科學(xué)，真是太棒了！

Kirkpatrick還將Paz介紹給了加州理工學(xué)院的天文學(xué)家Shoubaneh Hemmati、Daniel Masters、Ashish Mahabal和Matthew Graham。

他們?cè)?strong>天文學(xué)中的機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用，以及不同時(shí)間尺度下變星的研究方面，為Paz提供了寶貴的專(zhuān)業(yè)知識(shí)。

Paz與Kirkpatrick意識(shí)到，NEOWISE的觀測(cè)方式存在局限性，難以有效檢測(cè)和分類(lèi)那些快速閃爍或緩慢變化的天體。

夏天結(jié)束后，還有很多工作要做。

第二年也就是2024年，Paz和Kirkpatrick再次合作。

現(xiàn)在，Paz已經(jīng)改進(jìn)了AI模型，用于處理來(lái)自NEOWISE觀測(cè)的全部原始數(shù)據(jù)，并分析了結(jié)果。

現(xiàn)在，Paz已經(jīng)改進(jìn)了AI模型，用于處理來(lái)自NEOWISE觀測(cè)的全部原始數(shù)據(jù)，并分析了結(jié)果。

該模型在包含真實(shí)紅外變星的驗(yàn)證數(shù)據(jù)集上進(jìn)行測(cè)試，在四類(lèi)變星識(shí)別任務(wù)中取得了0.91的F1分?jǐn)?shù)。

此外，從NEOWISE數(shù)據(jù)中，模型成功識(shí)別并分類(lèi)出約150萬(wàn)個(gè)潛在的變星候選體。

在這項(xiàng)研究之前，從未有人嘗試?yán)眠@張包含2000億行的數(shù)據(jù)集，去識(shí)別和分類(lèi)其中所有重要的變異性現(xiàn)象。

Matteo Paz于2023年的研討會(huì)上展示了他的初步研究成果

他補(bǔ)充說(shuō)，加州理工學(xué)院的研究人員已經(jīng)開(kāi)始使用帕茲編制的潛在變星體目錄——VarWISE，用于研究雙星系統(tǒng)。

首個(gè)完整的紅外變異性巡天項(xiàng)目VarWISE，共識(shí)別并分類(lèi)了190萬(wàn)個(gè)變星體，劃分為10個(gè)類(lèi)別

在2025年，Paz和Kirkpatrick計(jì)劃發(fā)布包含NEOWISE數(shù)據(jù)中亮度變化顯著的天體的完整目錄。

AI+天文學(xué)：全新方法

Matteo Paz設(shè)計(jì)了一套處理流程，從NEOWISE數(shù)據(jù)中提取變星候選體。

論文鏈接：https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-3881/ad7fe6

以前的方法在檢測(cè)周期性信號(hào)方面非常有效，但它們?cè)谔幚鞼ISE如此大規(guī)模數(shù)據(jù)（高達(dá)數(shù)十千億行）時(shí)速度極慢，幾乎無(wú)法在實(shí)際中使用。

而Paz采用的全新機(jī)器學(xué)習(xí)模型，卻能在現(xiàn)實(shí)可行的時(shí)間范圍內(nèi)解決這一問(wèn)題！

它的目標(biāo)就是，分析天空中任意天體的光變曲線，并將其分類(lèi)為靜態(tài)源、新星/明亮瞬變?cè)础㈦p星系統(tǒng)或脈動(dòng)光源。

具體來(lái)說(shuō)，Paz采用卷積操作和變換技術(shù)來(lái)提取高細(xì)節(jié)特征，讓模型能夠有效檢測(cè)到周期性和非周期性的亮度變化。

為此，他專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了VARnet模型，能夠快速識(shí)別天體時(shí)間序列數(shù)據(jù)中的真實(shí)變異性。

對(duì)于每條約含2000個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的光變曲線，在一張22GB顯存的GPU上，VARnet處理速度大于53微秒/天體。

但訓(xùn)練VARnet需要大量訓(xùn)練數(shù)據(jù)。為此，Paz專(zhuān)門(mén)為每類(lèi)目標(biāo)光源開(kāi)發(fā)了一個(gè)精準(zhǔn)的合成光變曲線生成器，以便為這一復(fù)雜模型提供無(wú)限量的訓(xùn)練樣本。

生成一條完整的合成光變曲線樣本的步驟如下：

1. 構(gòu)造一個(gè)基礎(chǔ)亮度函數(shù)f(t)

2. 按照WISE的觀測(cè)節(jié)奏（采樣間隔）對(duì)該函數(shù)進(jìn)行采樣

3. 加入高斯噪聲 ，其中噪聲方差為亮度函數(shù)的某種函數(shù)形式

偽代碼詳見(jiàn)算法2。

這一方法論（見(jiàn)圖1）實(shí)現(xiàn)了極快的運(yùn)行速度，并在測(cè)試集上表現(xiàn)出高精度和強(qiáng)性能，最終生成了高質(zhì)量的異常目標(biāo)列表。

原文圖1：異常檢測(cè)流程示意圖

整個(gè)流程如下：

（1）收集并預(yù)處理數(shù)據(jù)

采用基于密度的方法，對(duì)單次曝光源目錄中的天體顯現(xiàn)（apparitions）進(jìn)行空間聚類(lèi)，以及一系列數(shù)據(jù)變換，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量。

（2）設(shè)計(jì)并訓(xùn)練信號(hào)處理模型VARnet，能夠快速識(shí)別天體時(shí)間序列數(shù)據(jù)中的真實(shí)變異性。

VARnet使用一維小波分解來(lái)最大限度地降低異常數(shù)據(jù)對(duì)分析結(jié)果的影響，并對(duì)離散傅里葉變換（DFT）進(jìn)行了創(chuàng)新性的改進(jìn)，從而快速檢測(cè)周期性并提取時(shí)間序列特征。

VARnet將這些特征分析整合，利用機(jī)器學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)對(duì)天體類(lèi)型的預(yù)測(cè)，主要依賴卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

VARnet模型的完整結(jié)構(gòu)

VARnet模型的完整結(jié)構(gòu)如上圖所示。

整個(gè)模型統(tǒng)一采用ReLU激活函數(shù)，開(kāi)始包含三個(gè)卷積層，用于處理信號(hào)，并將其壓縮為三通道，送入傅里葉特征提取模塊。在模型實(shí)際運(yùn)行中，最終的輸出向量會(huì)經(jīng)過(guò)softmax操作，使預(yù)測(cè)結(jié)果可以被解釋為概率形式，并按置信度進(jìn)行排序

（3）利用VARnet識(shí)別出新的異常天體并人工檢查預(yù)測(cè)結(jié)果。

他還驗(yàn)證了，VARnet對(duì)已知及新發(fā)現(xiàn)的變星源均具有高度的敏感性與準(zhǔn)確性。

果然，VARnet產(chǎn)生了一些有趣的探測(cè)結(jié)果！

首先，它以極高的置信度，恢復(fù)了許多已知物體。

比如，食變星V* V1403 Ori就被成功識(shí)別出來(lái)了，置信度超過(guò)0.99。

另一個(gè)被精妙識(shí)別出來(lái)的，就是食雙星系統(tǒng)CRTS J054306.5?024247。

而且，VARnet還發(fā)現(xiàn)了全新的天體。

位于J2000赤經(jīng)/赤緯1.53483°，?59.08751°的天體，就被VARnet標(biāo)記為變星候選體。經(jīng)檢索發(fā)現(xiàn)，該天體在現(xiàn)有文獻(xiàn)或任何星表中均無(wú)相關(guān)記錄。

甚至，模型還發(fā)現(xiàn)了一顆超新星！

在J2000 赤經(jīng)/赤緯 31.40235°，?61.05673°處，模型標(biāo)記了一個(gè)天體為瞬變活動(dòng)源，經(jīng)比對(duì)，該天體對(duì)應(yīng)星表中記錄的星系LEDA 358365。

2023年6月，該天體曾出現(xiàn)快速變亮的現(xiàn)象；而在WISE的下一次觀測(cè)中，其亮度又恢復(fù)至平均水平（見(jiàn)下圖）。

在對(duì)瞬變事件目錄進(jìn)行檢索后，可以發(fā)現(xiàn)，該事件與AT 2023lkp的觀測(cè)記錄相符。

考慮到該事件的持續(xù)時(shí)間及其起源于該星系的事實(shí)，Paz等人判斷：這很可能是一顆超新星。

如果對(duì)具體的細(xì)節(jié)感興趣，不妨參閱原文。

參考資料：

https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-3881/ad7fe6/pdf

https://www.caltech.edu/about/news/exploring-space-with-ai

https://www.businessinsider.com/teen-wins-cash-award-ai-discovery-space-objects-nasa-2025-3