作者：施韡
天文學是最古老的自然學科，也是一門特别依靠公衆參與的學科。天文公衆科學經曆了哪些變化？看似高深的天文學研究真的能吸引普通公衆的參與嗎？
公衆科學與公衆科學家
公衆科學（citizen science）是由非職業（即業餘）的科學家或普通公衆進行的科學研究（全部或部分），既包括公衆參與的專業科學研究，也包括公衆自主開展的科學研究 [1]。公衆科學家（citizen scientist）是指每天自願将個人時間、精力、專業知識和資料投入共同科學研究的人。
“公衆科學”這一名詞由英國學者埃爾文（A. Irwin）和美國學者伯尼（R. Bonney）于20世紀90年代中期各自獨立提出。埃爾文更側重公衆如何更加平等地參與科學事務，促進科學更好地發展；伯尼主要關注公衆如何參加科學研究活動，進而提高科技創新的效率 [2]。雖說“公衆科學”概念的提出不到30年，但公衆科學活動卻早已有之。廣義地說，在職業的“科學家”誕生前，人們習慣性地觀察動植物習性、觀測日月星辰的移動規律，或檢查自己的身體狀況，都是典型的公衆科學活動。公衆科學活動通常源自個人興趣，但比單純靠興趣又更具針對性和專業性，這被認為是區分“公衆科學家”與“科學愛好者”的重要依據。天文學是公衆科學（家）參與度極高的學科，它在傳統上分别把上述兩個群體稱為“業餘天文學家”（citizen astronomer）和“天文愛好者”（amateur astronomer）。
美國公衆科學協會（Citizen Science Association）基于一項線上調研，概括出公衆科學活動不同于傳統科學研究的四個方面的典型特征 [3]：①廣泛性，即任何人都可參與其中；②規範性，即參與者使用與專業科研人員相同的協定，能對資料進行高品質地錄入、檢驗與合并；③實用性，即參與者與專業科研人員開展合作研究，解決真實的科學問題，而不僅僅是示範科學概念；④共享性，即參與者與專業科研人員和志願者廣泛開展合作，向公衆和科學家分享獲得的資料。這些典型特征在一定程度上解釋了“公衆科學”也是科學研究的重要組成部分，同樣必須直面科學問題，遵循科學邏輯，使用科學方法，借助科學工具，共享科學成果，恪守科學倫理。需要指出的是，從這些特征來看，某些所謂的“民間科學家”由于并不接受普遍的科學認知，又拒絕科學共同體的研究模式，他們所開展的活動并不是“公衆科學”。
公衆科學最早出現在自然、生态、天文、物候、環境等學科中，因為這些學科都以觀察、觀測為基礎，以收集樣品、标本和記錄為手段，涉及的研究對象比較貼近公衆，基礎性的觀測難度不太高，普通人比較容易參與。這些學科又有着相對繁重的觀測任務，公衆加入其中對職業科學家收集資料大有裨益，而幫助擴大觀察範圍和增加采樣數量，正是公衆科學對于科學研究的最大貢獻。
曆史上的業餘天文學家
從某種程度上講，現代天文學的發端源自一項如今看來似乎很“業餘的”手工活。1609年，意大利天文學家伽利略根據荷蘭眼鏡商的發明，自行制作了一台望遠鏡。在伽利略看來，望遠鏡不僅是“好玩”的物件，更能在軍事、科學上發揮重要作用。他把望遠鏡指向天空，從此人類的目光不斷向宇宙深處延伸。此後的一個世紀，天文望遠鏡有了長足的進步，并在公衆層面也有推廣和普及。18世紀末，歐洲已經出現了“職業天文學家”和“業餘天文學家”的差別，前者主要指在國家或教育機構的天文台從事研究和教學的天文學家，後者主要指憑個人興趣且自己建造天文台或天文望遠鏡的愛好者。
天王星的發現者、天體實體學和恒星實體學創始者之一赫歇爾（F. W. Herschel）是業餘天文學家的典型代表。他原是巴斯大教堂的管風琴師，後來因在研究音律的過程中對數學、實體和天文産生濃厚興趣，1773年起自制天文望遠鏡，到1776年已制造出焦距6米的大型反射望遠鏡，并開始進行巡天觀測。1781年赫歇爾因發現天王星而名聲大噪。1782年，同樣愛好天文的英國國王喬治三世将赫歇爾聘為私人天文學家。1821年，他當選為英國皇家天文學會的首任會長，至此他幾乎成為職業天文學家。曆史上著名的業餘天文學家還有很多，例如釀酒商卡林頓（R. C. Carrington）持續描繪太陽黑子，發現太陽較差自轉現象，并記錄到一次前所未有的太陽耀斑事件，進而開啟了人們對太陽活動的全新認知；英國工程師兼商人羅伯茨（I. Roberts）将照相機安裝在望遠鏡上，發明了“背負式”天文攝影技術，徹底改變了人類研究天文學的方法；從未受過正規教育的美國攝影師巴納德（E. E. Barnard）不僅獨立發現14顆彗星，更發現了擁有最大自行的恒星，開創了“銀河系照相術”。
天文學本身十分注重觀測，是以觀測是業餘天文學研究的最主要活動。從18世紀到20世紀，業餘天文學家的主要工作方法就是通過望遠鏡進行觀測，并用筆記、繪圖、照相等方式忠實地記錄下觀測結果；主要觀測目标包括太陽、月亮、行星、恒星、彗星和流星雨，以及星雲、星團、星系等深空天體。盡管像赫歇爾、卡林頓、羅伯茨這樣被後人視作“職業天文學家”的業餘天文學家佼佼者屈指可數，然而整個歐洲仍然湧現出不少業餘天文學家的新發現。畢竟天空過于寬廣，當時全球天文台和職業天文學家的數量以及他們手裡的“武器”都不足以覆寫整個天空，是以業餘天文學家的觀測能很好地彌補職業天文學家的工作。尤其彗星、流星雨、變星、超新星等天體或天象，出現的時間和空間都有很大的偶然性，業餘天文學家乃至更普通的天文愛好者都有一定的“可乘之機”。例如，1994年“彗木相撞”的主角“蘇梅克-列維9号”彗星的發現者之一列維（D. Levy）在當時是科普作家；大陸業餘天文學家周興明獨立發現過C/1983 H1等多顆彗星（但遺憾的是，由于通信等原因，釋出時間晚于國外的愛好者，他并未享有“發現者”的榮譽）。事實上，時至今日仍有天文愛好者發現彗星的案例，但由于專業天文學觀測技術的大幅提升，對業餘天文學家而言，要想獲得這些新發現已經越來越困難了。
蓬勃發展的業餘天文學
技術革新對業餘天文學的影響
每一次技術革新，雖然會給專業天文學研究帶來質的飛越，但對業餘天文學家而言卻往往是一次“打擊”。大口徑巡天望遠鏡、電荷耦合器件（CCD）、自适應光學（AO）等技術的發展，讓職業天文學家與業餘天文學家和天文愛好者在觀測裝置的硬體水準差異上變得越來越大，并進一步擠壓了業餘天文學家的“生存空間”。例如，林肯近地天體研究項目（Lincoln Near-Earth Object Research）、近地小行星跟蹤項目（Near-Earth Asteroid Tracking）、全景巡天望遠鏡和快速反應系統（Panoramic Survey Telescope and Rapid Response System）、卡特琳娜巡天項目（Catalina Sky Survey）、小行星地面撞擊最終警報系統（Asteroid Terrestrial-impact Last Alert System）等巡天項目效率更高，能發現大量暗弱的小行星和彗星。其中，林肯近地天體研究項目發現了23萬個太陽系小天體（包括279顆彗星）[4]。
當然，技術革新也會惠及業餘天文學家，主要展現在以下四個方面：①望遠鏡系統（包括光學系統、機械系統、電控系統等）成本的降低，讓業餘天文學家能獲得成像好、易操作的小型望遠鏡；②專業CCD、CMOS（互補金屬氧化物半導體）、數位相機甚至光譜儀等感光原件的普及化，讓業餘天文學家使用小型望遠鏡就能獲得較好的數位照片，其效果至少與50年前專業天文台大型望遠鏡拍攝的照片相當；③随着計算機小型化和網絡資訊技術的飛速發展，程控自主天文台技術（Robotic Autonomous Observatory）誕生，業餘天文學家能通過建立遠端天文台避開城市光污染和大氣污染，這在一定程度上縮短了“業餘”和“專業”之間的差距；④普适圖像傳輸系統（Flexible Image Transport System）等标準資料格式的确認與推廣，以及開源軟體的普及化，讓業餘天文學家有機會使用專業的控制軟體、分析軟體等進行資料處理。這些變化豐富了業餘天文學家的觀測方法，使得觀測效率大大提高，進而漸漸地改變了業餘天文學的研究領域和研究方法。這些技術門檻的降低，也有助于開展專業—業餘合作（Pro-Am Collaboration）。
大陸業餘天文學發展狀況
最近10年來，大陸業餘天文學呈現出蓬勃的發展态勢，各地陸續建起十餘座遠端天文台。其中尤以2007年建成、坐落于中國科學院新疆天文台南山觀測站的星明天文台（IAU編号C42）最富成果。截至2022年8月，該天文台擁有十餘台中小口徑望遠鏡，采用“無人值守”的遠端控制方式運作着近10個觀測項目，已發現彗星3顆、小行星11顆（永久編号）、超新星63顆、新星43顆、矮新星27顆，以及各類變星198顆 [5]。大陸比較活躍的業餘天文台還有北冕天文台（IAU編号N55）、敷山天文台（IAU編号G26）、綠野天文台（IAU編号P34）等，他們也進行小行星的搜尋、測光等工作。遺憾的是，國内絕大部分其他遠端天文台則以天體攝影為主，幾乎沒有涉及科學研究，距離真正的業餘天文學（或公衆科學）還有一定差距 [6]。
星明天文台（任力 攝）
轉型的公衆科學——衆包天文學
衆包天文學的由來和構成要素
近20年來，随着計算機、網絡資訊等技術的發展，天文學邁入大資料時代。例如，2000年投入運作的斯隆數字化巡天項目（Sloan Digital Sky Survey，SDSS）在最初幾周内收集的資料就超過了此前天文學史上所收集的所有資料之和，至今已積累超過140 太位元組（TB）的資訊。“中國天眼”（FAST）每秒采集的資料量高達38 吉位元組（GB），每年新增資料量可達數十拍位元組（PB）。未來最大規模的射電望遠鏡國際合作項目平方千米陣列（Square Kilometre Array）将由數千根天線組成，每天将産生約14艾位元組（EB）的資料并存儲1 拍位元組的資料 [7]（1艾位元組=1024拍位元組，1拍位元組=1024太位元組）。
海量資料給天文學研究提供了更多樣本和更多發現新目标的機會，不過職業天文學家卻似乎對這些資料有些應接不暇。雖然人工智能的發展一定會幫助他們更高效地處理資料，但天文資料中的噪聲往往會給人工智能造成極大的障礙。某些重要的發現常常存在于“非典型”的模式中，人工智能如果“學藝不精”的話，則極有可能錯判或漏判。業餘天文學家和天文愛好者的參與，能憑借人腦優勢和人數優勢，很好地幫助人工智能進行深度學習，進而幫助職業天文學家拾遺補缺。
在這樣的背景下，公衆科學活動中出現了一種新的樣式——衆包科學（crowdsourcing science）。“衆包”的概念由美國《連線》（Wired）雜志記者豪威（J. Howe）提出，指的是一家公司或機構把工作任務以自由、自願的形式，外包給非特定的、較大規模的公衆（或志願者）。衆包的發起主體是公司或機構，任務通常由個人來承擔，但必要時可多人協作。衆包科學是将科學研究中的相關人員、資料資料和創意通過網絡技術動态地聯系在一起，跨越時間、空間和傳統科研組織邊界，以提高任務完成的效率和品質的新興科學研究方式 [8]。
衆包科學主要由五個要素構成 [9]。一是發包方：通常為科研機構或組織，也可是個人。二是公衆：願意參與科學研究等活動的非本機構（或組織）員工的普通人；通常對他們的技能沒有過高要求。三是明确的任務：發包方提出具體的目标和需求，通常相對簡單；參與者經過簡單訓練，即可具備完成任務的技能。四是完成任務的形式：由發包方提出具體的公衆參與方法和途徑。五是網絡平台：通過網絡平台向公衆分發任務，并收集公衆完成的成果。
國外典型的衆包天文學項目
星系動物園（Galaxy Zoo）是國外具有代表性的衆包天文學項目。
2007年，英國牛津大學的天體實體學家肖文斯基（K. Schawinski）需要對SDSS采集到的海量圖檔進行處理，辨識那些形如星系的目标并進行分類，以便進行更深入的研究。SDSS項目始于2000年，它用位于新墨西哥州阿帕奇天文台（Apache Point Observatory）的2.5米口徑大視場望遠鏡對星系進行多光譜成像和光譜紅移巡天觀測，覆寫了全天面積的35%以上，擷取了約10億個天體的光度資訊和400多萬個天體的光譜資訊。面對這樣龐大的資料，專業研究人員的數量卻很少。對任何天文學研究來說，分類是最基礎的工作：首先，需要分辨照片上的那些星點或光斑是恒星還是遙遠的星系；其次，需要對星系進行分類。肖文斯基等研究人員從早期的衆包科學項目——地外智慧生物搜尋（Search for Extraterrestrial Intelligence, SETI）上獲得靈感，設計了星系動物園項目。1999年5月，SETI@home項目上線，這是一項利用全球聯網的計算機共同搜尋地外文明的科學實驗計劃；它采用分布式計算方式，即借助公衆的個人計算機的閑置處理能力來分析資料，共同尋找地球之外的智慧生命。雖然SETI@home由于隻是利用個人計算機而缺乏“人”的參與，并不屬于真正意義上的公衆科學，卻為SDSS項目團隊提供了思路。
起初，星系動物園項目團隊期望有2萬~3萬人參與約90萬個星系樣本的分類，這已經是一個優秀的研究所學生每天不吃不喝工作24小時、每周7天、連續3~5年才能完成的任務。由于宣傳到位，項目效果遠超預期，獲得了10多萬名志願者的注冊加入，在項目正式上線後僅175天就完成4000多萬個（次）分類，平均每個星系得到38次鑒别。該項目簡明的操作提示和簡單的操作方法，讓參與者不需任何專業背景、專業知識或專門教育訓練，就可友善地在自己的電腦上為學術研究做出貢獻。随後，它收獲了令人興奮的成果，其中已發表360多篇相關論文（截至2022年6月），同時産生一些開源的分析資料集，如此巨大的成功讓世人見到了目前技術背景下公衆科學的強大戰鬥力。如今，星系動物園項目超越了天文學與星系範疇，拓展到科學、人文、藝術等12個大類的數百個項目，更新成為宇宙動物園（Zooniverse）。
國外典型的衆包天文學項目還有行星獵手（Planet Hunters）等。
Zooniverse中的部分天文項目
通過Zooniverse的暗能量巡天項目（DES）尋找強引力透鏡
國内的天文學衆包項目
在國内，天文學的衆包科學項目也得到長足發展，其中規模較大、影響較廣的主要有公衆超新星搜尋項目（Popular Supernova Project, PSP）和尋找脈沖星計劃。
PSP是由星明天文台和中國虛拟天文台（China-VO）合作開展、面向公衆的宇宙新天體搜尋項目之一，也是首次基于國内業餘天文觀測資料實施的衆包科學項目，更是專業天文團隊與業餘天文隊伍深度合作的一次成功嘗試。PSP的初衷是讓任何對新天體搜尋感興趣的普通人都有機會參與到專業的天文發現中來，且不要求參與者具有特殊的天文學基礎知識。在PSP系統中，參與者隻需看圖、搜尋，倘若發現可疑目标就上報。具體來說，某個星系中如果出現超新星，那麼在該星系的照片中會突然多出一個星點；參與者将新照片與曆史照片（參考标準）對比，如果發現新的星點并符合超新星特征就可送出給系統，經進階使用者或管理者複核并釋出公告，再由全球各地天文台拍攝光譜證認後即可确定。在正常運轉時，星明天文台一個夜晚能追蹤幾千個星系。雖然PSP資料量沒有星系動物園那麼大，但它擁有人性化的互動體驗和系統化的管理流程。2015年上線以來，參與使用者已超過1萬人，遠超國内職業天文學家數量；50多名來自全國的業餘天文學家、天文愛好者通過該平台取得了21顆超新星、12顆河外新星等重要發現。
尋找脈沖星計劃是“中國天眼”團隊與阿裡公益機構聯合推出的簡易移動版公衆科學活動。該計劃的參與者隻需要在手機上浏覽若幹組圖檔，從中勾選出疑似脈沖星的信号，就能幫助系統進行機器學習，進而篩選出更可靠的脈沖星源。它從2019年9月上旬上線至2022年3月中旬，累計已被查閱超過1000萬張照片，為FAST團隊識别和篩選脈沖星源提供了幫助。
毫無疑問，經過約20年的快速發展，公衆科學在天文學研究中變得越來越流行，被廣泛用于一些重要的科研項目，尤其是巡天項目。公衆科學項目已被證明是一種非常高效的研究手段。不僅如此，公衆科學對提升公衆的科學素養、增強公衆參與科學活動的意識有着不可替代的作用。
我們欣喜地看到，随着FAST、“郭守敬”望遠鏡（LAMOST）、巡天空間望遠鏡（CSST）等大型科學裝置投入使用或即将投入使用，大陸一些科研團隊正在積極開發一批公衆科學項目，内容涉及引力透鏡效應、快速射電暴等前沿領域。與此同時，随着科學普及的不斷深入，天文愛好者群體在迅速發展，公衆參與天文學活動的熱情高漲。在一項涉及105位參與者的調查中，有64.76%的參與者表達了“比較想參與”或“非常想參與”衆包科學項目、協助天文學研究的意願。有了這樣的公衆基礎，又有了計算機網絡資訊技術和大資料技術的支撐，未來公衆科學将會表現出更強的活力，扮演更重要的角色。
施韡：上海天文館（上海科技館分館），上海 201306。[email protected]
Shi Wei: Shanghai Astronomy Museum, Shanghai 201306.
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關鍵詞：公衆科學 業餘天文學 衆包科學 ■