天文学家可以全职工作，而无需在天上找到新物体。但是，对于加州理工学院理论物理学的博士后科学家莉娜·内奇布(Lina Necib)来说，在银河系中发现一团恒星而不是银河系恒星的发现是在早期进行的，这需要超级计算机，盖亚空间天文台和新的深度学习方法。

Necib和她的合作者在本周的《自然天文学》中写道，Nyx是太阳附近巨大的新恒星流，这可能首次表明矮星系已与银河系盘合并。这些恒星流被认为是球状星团或矮星系，它们在被完全破坏之前已被潮汐力沿其轨道伸展。

Nyx的发现走了一条circuit回的路线，但它反映了当今研究天文学和天体物理学的多方面方式。

火在宇宙

Necib研究银河系中恒星和暗物质的运动学或运动。“如果有成群的恒星以特定的方式一起运动，那通常会告诉我们它们一起运动是有原因的。”

自2014年以来，加州理工学院，西北大学，加州大学圣地亚哥分校和加州大学伯克利分校等机构的研究人员一直在开发逼真的星系的高详细模拟，这是名为FIRE(现实环境中的反馈)项目的一部分。这些模拟包括科学家所知道的有关星系如何形成和演化的一切。从最初的虚拟时间开始，这些模拟产生的星系看起来和作用与我们的星系非常相似。

绘制银河系

与FIRE项目同时进行的是，盖亚空间天文台由欧洲航天局于2013年发射升空。它的目标是创建一个非常精确的三维地图，覆盖整个银河系及其周围约十亿颗恒星。

她解释说：“这是迄今为止最大的运动学研究。天文台提供了十亿颗恒星的运动。” “其中一部分，有700万颗恒星，具有3-D速度，这意味着我们可以确切知道恒星的位置及其运动。我们已经从非常小的数据集变成了以前无法做的大规模分析了解银河系的结构。”

Nyx的发现涉及将这两个主要的天体物理学项目结合起来，并使用深度学习方法对其进行分析。

模拟和天空测量都提出了以下问题：银河系如何变成今天的样子?

尼西卜说：“星系是通过吞噬其他星系而形成的。” “我们假设银河系有一段安静的合并历史，有一段时间以来，它一直在考虑它的安静程度，因为我们的模拟显示了很多合并。现在，可以使用许多较小的结构，我们知道这不是“没有看起来那么安静。拥有所有这些工具，数据和模拟非常强大。必须立即使用所有这些工具来解决这个问题。我们正处于能够真正理解岩层的初期阶段银河系。”

将深度学习应用于盖亚

十亿颗恒星的地图是喜忧参半的事情：信息太多，但几乎无法通过人类的感知来解析。

Necib说：“以前，天文学家必须进行大量的观察和绘制，并可能使用一些聚类算法。但是，这实际上已经不可能了。” “我们无法凝视700万颗恒星并弄清楚它们在做什么。我们在该系列项目中所做的就是使用Gaia模拟目录。”

由宾夕法尼亚大学的罗宾·桑德森(Robyn Sanderson)开发的Gaia模拟目录本质上是问：“如果FIRE仿真是真实的，并且用Gaia观察到，我们会看到什么?”

Necib的合作者Bryan Ostdiek(以前是俄勒冈大学的学生，现在是哈佛大学的学生)曾参与大型强子对撞机(LHC)项目，他在使用机器和深度学习处理大型数据集方面拥有丰富的经验。将这些方法移植到天体物理学上，为探索宇宙的新方法打开了大门。

Ostdiek说：“在大型强子对撞机上，我们有令人难以置信的模拟，但是我们担心训练有素的机器可能会学习模拟，而不是真正的物理。” “以类似的方式，火星系为训练我们的模型提供了一个绝佳的环境，但它们不是银河系。我们不仅必须学习哪些知识可以帮助我们识别仿真中有趣的恒星，还需要学习如何将其转化为星系。推广到我们真正的银河系。”

该团队开发了一种跟踪虚拟星系中每颗恒星运动并将其标记为起源于宿主星系或被吸收为星系合并产物的方法。两种恒星具有不同的特征，尽管差异通常很细微。这些标签用于训练深度学习模型，然后在其他FIRE模拟中对其进行测试。

建立目录后，他们将其应用于Gaia数据。“我们问神经网络，'根据您所学到的知识，您能标记出星星是否增生吗?'”内西布说。

该模型对从0到1的范围内恒星在银河系之外出生的信心进行了评估。该团队创建了一个具有误差容限的分界线，并开始探索结果。

这种将在一个数据集上训练的模型应用于另一种但又相关的模型的方法称为转移学习，可能充满挑战。Necib说：“我们需要确保我们不是在学习有关仿真的人工知识，而是了解数据中的实际情况。” “为此，我们不得不给它一点帮助，并告诉它重新称量某些已知的元素，以给它一个锚点。”

他们首先检查了它是否可以识别出星系的已知特征。其中包括“盖亚香肠”(Gaia香肠)，这是矮星系的遗迹，大约六到一百亿年前就与银河系融为一体，并且具有独特的类似香肠的轨道形状。

她解释说：“它具有非常具体的签名。” “如果神经网络按预期的方式运行，我们应该看到我们已经知道的巨大结构。”

盖亚香肠在那里，还有恒星光晕(背景恒星使银河系具有明显的形状)和Helmi流(另一种矮星系在遥远的过去与银河合并并于1999年被发现)。

第一次目击：Nyx

该模型在分析中确定了另一种结构：由250个恒星组成的星团，与银河系的圆盘一起旋转，但也朝着银河系的中心移动。

“您的第一个直觉是您有一个bug，” Necib说道。“你就像，'哦，不!” 因此，我三个星期都没有告诉任何合作者，然后我开始意识到这不是一个错误，它是真实的，而且是新的。”

但是，如果它已经被发现怎么办?“您开始阅读文学作品，确保没有人看过它，幸运的是对我来说，没有人看过。所以我给它起了个名字，这是天体物理学中最令人兴奋的事情。我称它为Nyx，这是当晚的希腊女神。这种特殊的结构非常有趣，因为如果没有机器学习就很难看到它。”

该项目需要在许多不同阶段进行高级计算。FIRE和更新的FIRE-2模拟是有史以来最大的银河系计算机模型之一。九个主要模拟中的每一个(三个独立的星系，每个太阳的起始点略有不同)都花了几个月的时间来计算世界上最大，最快的超级计算机。其中包括国家超级计算应用中心(NCSA)的Blue Waters，NASA的高端计算设施，以及德克萨斯州高级计算中心(TACC)的最近Stampede2。

研究人员使用俄勒冈大学的集群来训练深度学习模型，并将其应用于庞大的Gaia数据集。他们目前正在使用Frontera(这是世界上任何大学中最快的系统)来继续工作。

内西布说：“这个项目的所有工作都在计算上非常密集，如果没有大规模计算就不可能实现。”

未来的步骤

Necib和她的团队计划使用地面望远镜进一步探索Nyx。这将提供有关流的化学组成的信息，以及将帮助他们确定Nyx到达银河系的其他细节，并可能提供有关其来源的线索。

Gaia将于2021年发布的下一个数据将在目录中包含有关1亿颗恒星的更多信息，从而可能会发现更多的增生星团。

内西布说：“盖亚飞行任务开始时，天文学家知道这是他们将要获得的最大的数据集之一，令人兴奋不已。” “但是我们需要发展适应数据集的技术。如果我们不更改或更新我们的方法，我们将错过数据集中的物理学。”

加州理工学院团队方法的成功可能会产生更大的影响。她说：“我们正在开发可用于许多研究领域和与研究无关的事物的计算工具。” “这就是我们总体上推动技术前沿的方式。”