El Observatorio Europeo Austral tiene catálogos con datos de imágenes disponibles en http://www.eso.org/qi/ , deberá registrarse antes de poder acceder a ellos.
Le sugiero que mire los sitios web de otros observatorios para obtener sus datos. Tendrá que mirar más allá de las páginas dirigidas al público en general y encontrar enlaces para datos o ciencia, o portal de usuario o algo así. A veces son difíciles de encontrar.
Lo ideal sería tener un conjunto estándar de datos anotados de imágenes para la clasificación, de modo que pueda comparar sus resultados con otros. Lamentablemente, no conozco ningún conjunto estándar.
Para literatura sobre el uso del reconocimiento de patrones en imágenes astronómicas, http://astrometry.net/biblio.html es un buen recurso. ¡Han creado un sistema ML que no solo puede distinguir estrellas de otras clases de objetos, sino que también puede identificar qué estrellas son visibles en una imagen! Muy interesante la investigación.
Nota: para clasificar estrellas en cúmulos, el problema probablemente no sea la clasificación, sino más segmentación.