指尖的星空
Geoff Brumfiel
译自Nature 420, 262 - 264
一小群人数正在增长的天文学家希望将夜空放到互联网上。但盯着计算机显示器能真正取代望远镜观测吗？Geoff Brumfiel登陆了。
印度的普那（Pune）并不适合建造天文台。这座位于孟买东南160千米处的城市每年有4个月要受季风带来的暴雨影响。除了严重的云遮状况和高湿度——这会扭曲星光——之外，普那的望远镜还必须面对城市的300万居民带来的尘埃与光污染。
但来自普那大学（Pune’s Inter-University）天文学和天体物理学中心的天文学家Ajit Kembhavi看到了在这里建造一种新型天文台的可能性。他说：“我们无法建造大型望远镜和设备，但如果能得到它们获取的数据，那就太好了。”
Ajit Kembhavi相信，普那是设立虚拟天文台的绝好地方。（图片提供：DPL/LINK；插图：A. Ponkshe）
Kembhavi是许多怀有类似梦想的天文学家之一。他们希望建立“虚拟天文台”（VOs）——这是获取世界上各地基、空间望远镜图象的大门。天文图象的电子版早就有了。如果VOs能够克服在共享这一大批数据方面来自技术上和文化上的困难，它们将会让天文学变得更民主。作为加州理工学院的天体物理学家和美国国家虚拟天文台的创建者，George Djorgovski说：“仅仅是一瞬间，任何可以连接到互联网的人都可以获取令人难以置信的一大批知识和信息。这是很能促进公平的一项技术。”
关于电子星表的想法并不很新了。依靠于法国斯特拉斯堡天文台的斯特拉斯堡数据中心（CDS）1972年就建立了，以图为天文学家们日益增加的电子数据编目。其他的数字档案机构也随之建立。NASA的银河系外数据库自1987年起开始收集关于银河系外天体的信息，而现在它与来自哈勃空间望远镜的数据紧密相连。
近年来，由于大量使用数字照相设备和计算机程序来拍照，并将天体的资料大批鉴别存储的新巡天计划，在线数据的总量大大增加了。例如使用新墨西哥州一架望远镜的斯隆数字巡天计划在2005年前要确定周围数百万个星系的距离（见Nature 407，557；2000）。其他的巡天计划以绘制出了整个银河系的图象（见下图），而新的望远镜计划不久就会使人们能获取更多数据。
图片提供：CALTECH/Univ. Massachusetts
寻找进步
起初，CDS的研究人员将天体编目并印成文献出版。而随着时间的流逝，他们和其他数据存储者开发出了分析他们数据库的工具。举个例子，通过使用这些技术来比较来自斯隆数据库的图象，研究者揭示出了宇宙结构的细节，比如星系成团的方式。如今，这些电子档案以及搜索工具已非常普及了。CDS的负责人Francoise Genova说，她的数据库每天点击次数达10000次——这对于一个只是面向专业天文学家的网站来说是个庞大的数目。
欧洲南方天文台（ESO）数据管理部主任Peter Quinn认为，VOs的首要角色是将数十个巡天项目（如斯隆以及其他天文卫星或地基望远镜）得到的海量数据收集在一起。目前已出现了3个庞大的VOs——Quinn领导的欧洲天体物理学虚拟天文台、美国国家虚拟天文台，以及英国的天文网格（AstroGrid），另有几个较小的项目已逐渐成形。
所有这些目前还处在原形期。大多数都倾向于使用单一易用的界面来梳理已有的信息存档。在很多情况下，研究者在结果返回之前甚至不需要知道VO正在搜寻的数据库。而其中的一些（如德国的天体物理学虚拟天文台）也运行着自己的数据库，他们的图象由本国的研究人员提供。
美国弗吉尼亚州威廉斯堡威廉和玛丽学院的物理学教授Stephen Landy认为，尽管VOs距离创造研究成果还有很长的路要走，巡天的数据库却给予缺乏先进设备的研究人员一个体验，关于VOs所能提供的信息的体验。他说：“威廉和玛丽学院的研究者没有大型望远镜。”Landy感兴趣的领域是宇宙是否是平坦的——也就是说它与通常的几何原理是否相符合。对大尺度星系分布的研究将会给这个问题带来曙光，而没有望远镜的Landy也可以从斯隆巡天以及澳大利亚2度视场星系巡天的数据库下载数千星系的位置信息来进行自己的研究。
Landy说，VOs将为小型机构的研究人员打开更多的门，这是因为它们将提供获取大规模数据库信息的简单途径。他预计，这将比使用互不协调的多个数据库“简单一百倍”。
多个数据库的结合同样也可以增加天文学研究调查的可能性。Djorgovski说：“这些数据规模和质量的透明化将让你提出新的问题。”其中的一个例子是搜寻褐矮星。这是一种在大小和质量上介于行星和恒星之间的天体。这些昏暗的天体发射出光学和红外辐射，所以同时搜索光学和红外望远镜获取的数据将成为寻找它们的强大工具。
类似地，X射线、光学和射电波段数据库的联合将使我们深入了解能够发射强烈辐射的星系中心。与其他天体相比，星系中心区域在更宽的波段上发射高强度辐射，所以可以使用很多不同种类的望远镜来研究它们。每个波段都有自己的优缺点。例如，射电波段可以穿透遮挡星系核的尘埃云，但只有10%的活动星系核有射电辐射。Djorgovski说，结合来自不同波段的数据可以让我们更好地了解这些星系的特性。
VO的鼓吹者所要面对的挑战之一就是创造出能够运营如此大规模搜索的工具。用于提取数据库信息及之间关联性的软件早就存在了。Djorgovski指出：“你现在就可以上网去购买符合这些需要的软件，但它们只能应付几百或几千个数据点。”但真正有效的VO必须能从数十亿颗恒星的光谱特性中筛选出所需的。他说：“那是计算机工程方面的大问题。”
马里兰州巴尔蒂摩约翰·霍普金斯大学的天文学家Alex Szalay正与其他研究者一道，为斯隆数据库开发更快更好的搜索工具，但他承认，他们的合作还有一段路要走。他说：“现在，我们没有太强调这个问题。”他希望能够与包括微软在内的公众或商业计算机专家一起合作，以改善这一点。
Alex Szalay希望，有朝一日象凯克这样的望远镜设施能够开发出可搜索的数据库。（图片提供：M. Ciesielski）
但VOs所面临的最大技术障碍还不是搜索工具的开发。由于它牵涉了很多数据库，使数据质量标准化实在是个挑战。
一张图象的分辨率取决于所使用的望远镜和拍摄时的天气条件。而同样，不同的VO使用者由于研究工作不同，对分辨率的要求也不同。根据Quinn的观点，VO中的每张图象都必须包括有关于拍摄条件的详细信息，所以研究人员可以就此确定对于他们的工作来说这些数据是否已经足够精确。
数据和时间
大多数巡天的数据已经把这样的信息包含到了图象中。但加州大学圣克鲁兹分校的天文学家Sandra Faber认为，让天文学家在将数据添加到望远镜中心的数据库时，让他们养成一并记录这些“元数据”的习惯仍旧是很困难的。比如说，地面光学望远镜需要做很麻烦的校准工作，这经常使观测时间缩短。“这对实际的观测者来说也是很值得考虑的”，她说。包括智利阿卡塔马沙漠帕瑞那山上欧洲南方天文台甚大望远镜在内的一些设施已经要求使用者去记录元数据了。VO的鼓吹者希望在VOs流行后其他的天文台也能提出同样要求。
而元数据的问题强调了VOs所面临的一个更显著的文化挑战：历史上，天文学研究被认为是孤独的活动。爱丁堡大学的天文学家，天文网格的领导者Andrew Lawrence指出：“在典型的地面天文台中，如果你申请了3个晚上的望远镜观测时间，那么这3个晚上就全是你的了。”Faber补充说，获取的数据也一样。她说：“这是放弃通过努力工作获得的数据时会出现的不情愿。”例如，在各大学附属天文台中的天文学家没有义务与更广泛的群体分享他们的数据。在国家天文台中的则被要求公开原始数据的复本，但他们并不需要向他人提供元数据，以便于他人使用这些数据。
在美国，因为很多最大最先进的天文台没有良好的公众数据库，这一问题并没有得到改观。举个例子，夏威夷的W. M. 凯克天文台没有自己的数字存档。而国立的国家射电天文台将他们的信息存在数字磁带上，只能通过请求手工获取。在这些天文台中以出现了创立在线档案的改革运动。例如NASA希望能够保证它资助凯克进行的所有研究都要存入公众档案中。但由于资金不足，进展是缓慢的。Faber说：“它其实是由于资金问题停滞的。提取数据以及创建数字档案，还有制作方便使用的界面，都是要有资金支持的。”
创建档案的花费在它们被广泛使用后将会减少，这时软件可以从已有数据库那里拷贝。而随着更多机构的参与，象凯克这样的天文台将会发现他们处于要求设立数字档案的压力之下。“如果这些天文台都做出了实际的工作，凯克会如何呢？我认为它会被人瞧不起的。”Faber认为。
但目前为止，VO计划的领导者说，科学界的反应是冷淡的。Lawrence说：“人们只是认为‘这个主意看起来不错，告诉我，它什么时候能投入使用’。”为最大限度地提高他们的声望，VO的领导者最初将与几个最受欢迎的数据库合作，使用他们的软件。如果他们成功地吸引了研究人员的注意力，后面将会进行创新的研究。而如果研究人员能够得知使用VOs的天文学家获得的优秀成果，他们自己也会去试试的。“我认为做到这一点，将是个群体启迪的过程。”巴尔蒂摩空间望远镜研究所的Robert Hanisch如是说，而他是美国国家虚拟天文台的领导。
但Kembhavi以为，对于印度各大学中数百名天文学家来说，这个主意就太妙了。这些人可能永远也不会为世界级的望远镜搜集到资金，但VO却意味着仅仅需要一条电话线就足够了。Kembhavi说：“他们中的大多数人还是可以支付一台个人电脑和少许上网费的。虚拟天文台将使他们可以进行相关的高质量研究。”
相关网站：
美国国家虚拟天文台：http://www.us-vo.org/
天体物理学虚拟天文台http://www.euro-vo.org/
天文网格：http://www.astrogrid.org/
Geoff Brumfiel是Nature驻华盛顿的物理学科技记者。
