众包天文学：悄然流行的天文公众科学

作者：施韡

天文学是最古老的自然学科，也是一门特别依靠公众参与的学科。天文公众科学经历了哪些变化？看似高深的天文学研究真的能吸引普通公众的参与吗？

公众科学与公众科学家

公众科学（citizen science）是由非职业（即业余）的科学家或普通公众进行的科学研究（全部或部分），既包括公众参与的专业科学研究，也包括公众自主开展的科学研究 [1]。公众科学家（citizen scientist）是指每天自愿将个人时间、精力、专业知识和数据投入共同科学研究的人。

“公众科学”这一名词由英国学者埃尔文（A. Irwin）和美国学者伯尼（R. Bonney）于20世纪90年代中期各自独立提出。埃尔文更侧重公众如何更加平等地参与科学事务，促进科学更好地发展；伯尼主要关注公众如何参加科学研究活动，从而提高科技创新的效率 [2]。虽说“公众科学”概念的提出不到30年，但公众科学活动却早已有之。广义地说，在职业的“科学家”诞生前，人们习惯性地观察动植物习性、观测日月星辰的移动规律，或检查自己的身体状况，都是典型的公众科学活动。公众科学活动通常源自个人兴趣，但比单纯靠兴趣又更具针对性和专业性，这被认为是区分“公众科学家”与“科学爱好者”的重要依据。天文学是公众科学（家）参与度极高的学科，它在传统上分别把上述两个群体称为“业余天文学家”（citizen astronomer）和“天文爱好者”（amateur astronomer）。

美国公众科学协会（Citizen Science Association）基于一项在线调研，概括出公众科学活动不同于传统科学研究的四个方面的典型特征 [3]：①广泛性，即任何人都可参与其中；②规范性，即参与者使用与专业科研人员相同的协议，能对数据进行高质量地录入、检验与合并；③实用性，即参与者与专业科研人员开展合作研究，解决真实的科学问题，而不仅仅是演示科学概念；④共享性，即参与者与专业科研人员和志愿者广泛开展合作，向公众和科学家分享获得的数据。这些典型特征在一定程度上解释了“公众科学”也是科学研究的重要组成部分，同样必须直面科学问题，遵循科学逻辑，使用科学方法，借助科学工具，共享科学成果，恪守科学伦理。需要指出的是，从这些特征来看，某些所谓的“民间科学家”由于并不接受普遍的科学认知，又拒绝科学共同体的研究模式，他们所开展的活动并不是“公众科学”。

公众科学最早出现在自然、生态、天文、物候、环境等学科中，因为这些学科都以观察、观测为基础，以收集样品、标本和记录为手段，涉及的研究对象比较贴近公众，基础性的观测难度不太高，普通人比较容易参与。这些学科又有着相对繁重的观测任务，公众加入其中对职业科学家收集数据大有裨益，而帮助扩大观察范围和增加采样数量，正是公众科学对于科学研究的最大贡献。

历史上的业余天文学家

从某种程度上讲，现代天文学的发端源自一项如今看来似乎很“业余的”手工活。1609年，意大利天文学家伽利略根据荷兰眼镜商的发明，自行制作了一台望远镜。在伽利略看来，望远镜不仅是“好玩”的物件，更能在军事、科学上发挥重要作用。他把望远镜指向天空，从此人类的目光不断向宇宙深处延伸。此后的一个世纪，天文望远镜有了长足的进步，并在公众层面也有推广和普及。18世纪末，欧洲已经出现了“职业天文学家”和“业余天文学家”的区别，前者主要指在国家或教育机构的天文台从事研究和教学的天文学家，后者主要指凭个人兴趣且自己建造天文台或天文望远镜的爱好者。

天王星的发现者、天体物理学和恒星物理学奠基人之一赫歇尔（F. W. Herschel）是业余天文学家的典型代表。他原是巴斯大教堂的管风琴师，后来因在研究音律的过程中对数学、物理和天文产生浓厚兴趣，1773年起自制天文望远镜，到1776年已制造出焦距6米的大型反射望远镜，并开始进行巡天观测。1781年赫歇尔因发现天王星而名声大噪。1782年，同样爱好天文的英国国王乔治三世将赫歇尔聘为私人天文学家。1821年，他当选为英国皇家天文学会的首任会长，至此他几乎成为职业天文学家。历史上著名的业余天文学家还有很多，例如酿酒商卡林顿（R. C. Carrington）持续描绘太阳黑子，发现太阳较差自转现象，并记录到一次前所未有的太阳耀斑事件，从而开启了人们对太阳活动的全新认知；英国工程师兼商人罗伯茨（I. Roberts）将照相机安装在望远镜上，发明了“背负式”天文摄影技术，彻底改变了人类研究天文学的方法；从未受过正规教育的美国摄影师巴纳德（E. E. Barnard）不仅独立发现14颗彗星，更发现了拥有最大自行的恒星，开创了“银河系照相术”。

天文学本身十分注重观测，因此观测是业余天文学研究的最主要活动。从18世纪到20世纪，业余天文学家的主要工作方法就是通过望远镜进行观测，并用笔记、绘图、照相等方式忠实地记录下观测结果；主要观测目标包括太阳、月亮、行星、恒星、彗星和流星雨，以及星云、星团、星系等深空天体。尽管像赫歇尔、卡林顿、罗伯茨这样被后人视作“职业天文学家”的业余天文学家佼佼者屈指可数，然而整个欧洲仍然涌现出不少业余天文学家的新发现。毕竟天空过于宽广，当时全球天文台和职业天文学家的数量以及他们手里的“武器”都不足以覆盖整个天空，因此业余天文学家的观测能很好地弥补职业天文学家的工作。尤其彗星、流星雨、变星、超新星等天体或天象，出现的时间和空间都有很大的偶然性，业余天文学家乃至更普通的天文爱好者都有一定的“可乘之机”。例如，1994年“彗木相撞”的主角“苏梅克-列维9号”彗星的发现者之一列维（D. Levy）在当时是科普作家；我国业余天文学家周兴明独立发现过C/1983 H1等多颗彗星（但遗憾的是，由于通信等原因，发布时间晚于国外的爱好者，他并未享有“发现者”的荣誉）。事实上，时至今日仍有天文爱好者发现彗星的案例，但由于专业天文学观测技术的大幅提升，对业余天文学家而言，要想获得这些新发现已经越来越困难了。

蓬勃发展的业余天文学

技术革新对业余天文学的影响

每一次技术革新，虽然会给专业天文学研究带来质的飞越，但对业余天文学家而言却往往是一次“打击”。大口径巡天望远镜、电荷耦合器件（CCD）、自适应光学（AO）等技术的发展，让职业天文学家与业余天文学家和天文爱好者在观测设备的硬件水平差异上变得越来越大，并进一步挤压了业余天文学家的“生存空间”。例如，林肯近地天体研究项目（Lincoln Near-Earth Object Research）、近地小行星跟踪项目（Near-Earth Asteroid Tracking）、全景巡天望远镜和快速反应系统（Panoramic Survey Telescope and Rapid Response System）、卡特琳娜巡天项目（Catalina Sky Survey）、小行星地面撞击最终警报系统（Asteroid Terrestrial-impact Last Alert System）等巡天项目效率更高，能发现大量暗弱的小行星和彗星。其中，林肯近地天体研究项目发现了23万个太阳系小天体（包括279颗彗星）[4]。

当然，技术革新也会惠及业余天文学家，主要体现在以下四个方面：①望远镜系统（包括光学系统、机械系统、电控系统等）成本的降低，让业余天文学家能获得成像好、易操作的小型望远镜；②专业CCD、CMOS（互补金属氧化物半导体）、数码相机甚至光谱仪等感光原件的普及化，让业余天文学家使用小型望远镜就能获得较好的数码照片，其效果至少与50年前专业天文台大型望远镜拍摄的照片相当；③随着计算机小型化和网络信息技术的飞速发展，程控自主天文台技术（Robotic Autonomous Observatory）诞生，业余天文学家能通过建立远程天文台避开城市光污染和大气污染，这在一定程度上缩短了“业余”和“专业”之间的差距；④普适图像传输系统（Flexible Image Transport System）等标准数据格式的确认与推广，以及开源软件的普及化，让业余天文学家有机会使用专业的控制软件、分析软件等进行数据处理。这些变化丰富了业余天文学家的观测方法，使得观测效率大大提高，从而渐渐地改变了业余天文学的研究领域和研究方法。这些技术门槛的降低，也有助于开展专业—业余合作（Pro-Am Collaboration）。

我国业余天文学发展状况

最近10年来，我国业余天文学呈现出蓬勃的发展态势，各地陆续建起十余座远程天文台。其中尤以2007年建成、坐落于中国科学院新疆天文台南山观测站的星明天文台（IAU编号C42）最富成果。截至2022年8月，该天文台拥有十余台中小口径望远镜，采用“无人值守”的远程控制方式运行着近10个观测项目，已发现彗星3颗、小行星11颗（永久编号）、超新星63颗、新星43颗、矮新星27颗，以及各类变星198颗 [5]。我国比较活跃的业余天文台还有北冕天文台（IAU编号N55）、敷山天文台（IAU编号G26）、绿野天文台（IAU编号P34）等，他们也进行小行星的搜索、测光等工作。遗憾的是，国内绝大部分其他远程天文台则以天体摄影为主，几乎没有涉及科学研究，距离真正的业余天文学（或公众科学）还有一定差距 [6]。

星明天文台（任力 摄）

转型的公众科学——众包天文学

众包天文学的由来和构成要素

近20年来，随着计算机、网络信息等技术的发展，天文学迈入大数据时代。例如，2000年投入运行的斯隆数字化巡天项目（Sloan Digital Sky Survey，SDSS）在最初几周内收集的数据就超过了此前天文学史上所收集的所有数据之和，至今已积累超过140 太字节（TB）的信息。“中国天眼”（FAST）每秒采集的数据量高达38 吉字节（GB），每年新增数据量可达数十拍字节（PB）。未来最大规模的射电望远镜国际合作项目平方千米阵列（Square Kilometre Array）将由数千根天线组成，每天将产生约14艾字节（EB）的数据并存储1 拍字节的数据 [7]（1艾字节=1024拍字节，1拍字节=1024太字节）。

海量数据给天文学研究提供了更多样本和更多发现新目标的机会，不过职业天文学家却似乎对这些数据有些应接不暇。虽然人工智能的发展一定会帮助他们更高效地处理数据，但天文数据中的噪声往往会给人工智能造成极大的障碍。某些重要的发现常常存在于“非典型”的模式中，人工智能如果“学艺不精”的话，则极有可能错判或漏判。业余天文学家和天文爱好者的参与，能凭借人脑优势和人数优势，很好地帮助人工智能进行深度学习，从而帮助职业天文学家拾遗补缺。

在这样的背景下，公众科学活动中出现了一种新的样式——众包科学（crowdsourcing science）。“众包”的概念由美国《连线》（Wired）杂志记者豪威（J. Howe）提出，指的是一家公司或机构把工作任务以自由、自愿的形式，外包给非特定的、较大规模的公众（或志愿者）。众包的发起主体是公司或机构，任务通常由个人来承担，但必要时可多人协作。众包科学是将科学研究中的相关人员、数据资料和创意通过网络技术动态地联系在一起，跨越时间、空间和传统科研组织边界，以提高任务完成的效率和质量的新兴科学研究方式 [8]。

众包科学主要由五个要素构成 [9]。一是发包方：通常为科研机构或组织，也可是个人。二是公众：愿意参与科学研究等活动的非本机构（或组织）员工的普通人；通常对他们的技能没有过高要求。三是明确的任务：发包方提出具体的目标和需求，通常相对简单；参与者经过简单训练，即可具备完成任务的技能。四是完成任务的形式：由发包方提出具体的公众参与方法和途径。五是网络平台：通过网络平台向公众分发任务，并收集公众完成的成果。

国外典型的众包天文学项目

星系动物园（Galaxy Zoo）是国外具有代表性的众包天文学项目。

2007年，英国牛津大学的天体物理学家肖文斯基（K. Schawinski）需要对SDSS采集到的海量图片进行处理，辨别那些形如星系的目标并进行分类，以便进行更深入的研究。SDSS项目始于2000年，它用位于新墨西哥州阿帕奇天文台（Apache Point Observatory）的2.5米口径大视场望远镜对星系进行多光谱成像和光谱红移巡天观测，覆盖了全天面积的35%以上，获取了约10亿个天体的光度信息和400多万个天体的光谱信息。面对这样庞大的数据，专业研究人员的数量却很少。对任何天文学研究来说，分类是最基础的工作：首先，需要分辨照片上的那些星点或光斑是恒星还是遥远的星系；其次，需要对星系进行分类。肖文斯基等研究人员从早期的众包科学项目——地外智慧生物搜寻（Search for Extraterrestrial Intelligence, SETI）上获得灵感，设计了星系动物园项目。1999年5月，SETI@home项目上线，这是一项利用全球联网的计算机共同搜寻地外文明的科学实验计划；它采用分布式计算方式，即借助公众的个人计算机的闲置处理能力来分析数据，共同寻找地球之外的智慧生命。虽然SETI@home由于只是利用个人计算机而缺乏“人”的参与，并不属于真正意义上的公众科学，却为SDSS项目团队提供了思路。

起初，星系动物园项目团队期望有2万~3万人参与约90万个星系样本的分类，这已经是一个优秀的研究生每天不吃不喝工作24小时、每周7天、连续3~5年才能完成的任务。由于宣传到位，项目效果远超预期，获得了10多万名志愿者的注册加入，在项目正式上线后仅175天就完成4000多万个（次）分类，平均每个星系得到38次鉴别。该项目简明的操作提示和简单的操作方法，让参与者不需任何专业背景、专业知识或专门培训，就可方便地在自己的电脑上为学术研究做出贡献。随后，它收获了令人兴奋的成果，其中已发表360多篇相关论文（截至2022年6月），同时产生一些开源的分析数据集，如此巨大的成功让世人见到了当前技术背景下公众科学的强大战斗力。如今，星系动物园项目超越了天文学与星系范畴，拓展到科学、人文、艺术等12个大类的数百个项目，升级成为宇宙动物园（Zooniverse）。

国外典型的众包天文学项目还有行星猎手（Planet Hunters）等。

Zooniverse中的部分天文项目

通过Zooniverse的暗能量巡天项目（DES）寻找强引力透镜

国内的天文学众包项目

在国内，天文学的众包科学项目也得到长足发展，其中规模较大、影响较广的主要有公众超新星搜寻项目（Popular Supernova Project, PSP）和寻找脉冲星计划。

PSP是由星明天文台和中国虚拟天文台（China-VO）合作开展、面向公众的宇宙新天体搜寻项目之一，也是首次基于国内业余天文观测数据实施的众包科学项目，更是专业天文团队与业余天文队伍深度合作的一次成功尝试。PSP的初衷是让任何对新天体搜索感兴趣的普通人都有机会参与到专业的天文发现中来，且不要求参与者具有特殊的天文学基础知识。在PSP系统中，参与者只需看图、搜索，倘若发现可疑目标就上报。具体来说，某个星系中如果出现超新星，那么在该星系的照片中会突然多出一个星点；参与者将新照片与历史照片（参考标准）对比，如果发现新的星点并符合超新星特征就可提交给系统，经高级用户或管理员复核并发布公告，再由全球各地天文台拍摄光谱证认后即可确定。在正常运转时，星明天文台一个夜晚能追踪几千个星系。虽然PSP数据量没有星系动物园那么大，但它拥有人性化的交互体验和系统化的管理流程。2015年上线以来，参与用户已超过1万人，远超国内职业天文学家数量；50多名来自全国的业余天文学家、天文爱好者通过该平台取得了21颗超新星、12颗河外新星等重要发现。

寻找脉冲星计划是“中国天眼”团队与阿里公益机构联合推出的简易移动版公众科学活动。该计划的参与者只需要在手机上浏览若干组图片，从中勾选出疑似脉冲星的信号，就能帮助系统进行机器学习，从而筛选出更可靠的脉冲星源。它从2019年9月上旬上线至2022年3月中旬，累计已被查阅超过1000万张照片，为FAST团队识别和筛选脉冲星源提供了帮助。

毫无疑问，经过约20年的快速发展，公众科学在天文学研究中变得越来越流行，被广泛用于一些重要的科研项目，尤其是巡天项目。公众科学项目已被证明是一种非常高效的研究手段。不仅如此，公众科学对提升公众的科学素养、增强公众参与科学活动的意识有着不可替代的作用。

我们欣喜地看到，随着FAST、“郭守敬”望远镜（LAMOST）、巡天空间望远镜（CSST）等大型科学装置投入使用或即将投入使用，我国一些科研团队正在积极开发一批公众科学项目，内容涉及引力透镜效应、快速射电暴等前沿领域。与此同时，随着科学普及的不断深入，天文爱好者群体在迅速发展，公众参与天文学活动的热情高涨。在一项涉及105位参与者的调查中，有64.76%的参与者表达了“比较想参与”或“非常想参与”众包科学项目、协助天文学研究的意愿。有了这样的公众基础，又有了计算机网络信息技术和大数据技术的支撑，未来公众科学将会表现出更强的活力，扮演更重要的角色。

施韡：上海天文馆（上海科技馆分馆），上海 201306。shiw@sstm.org.cn

Shi Wei: Shanghai Astronomy Museum, Shanghai 201306.

1. Gura T. Citizen science: amateur experts. Nature, 2013, 496 (7444): 259–261.
2. 柳洲. 公众科学的历史演进及其发展动因. 辽宁省社会主义学院学报, 2021, (1): 116-120.
3. Flagg B N. Contribution of multimedia to girls’ experience of citizen science. Citizen Science: Theory and Practice, 2016, 1(2): 11.
4. Wikipedia contributor. Lincoln Near-Earth Asteroid Research. Wikipedia, 2021. [2022-08-31]. https://en.wikipedia.org/wiki/Lincoln_Near-Earth_Asteroid_Research.
5. 星明团队. 星明发现. 星明天文台, 2022. [2022-08-31].
   http://xjltp.china-vo.org/discovery.html.
6. 叶泉志. 业余天文学在中国：现状与未来. 天文研究与技术, 2018 , (2): 122-133.
7. Francis M. Future telescope array drives development of Exabyte processing. Ars Technica, 2012-07-02.
8. 胡昭阳, 汤书昆. 众包科学：网络时代公众参与科学的全新尝试——基于英国“星系动物园”众包科学组织与传播过程的讨论. 科普研究, 2015, (04): 12-20, 34.
9. 忻歌. 博物馆智慧体验探索——上海天文馆项目研究与实践. 上海: 世界图书出版公司, 2021.

关键词：公众科学 业余天文学 众包科学 ■