Με κάθε περασμένο έτος, όλο και περισσότεροι πλανήτες εκτός ηλιακής ενέργειας ανακαλύπτονται. Για να γίνουν τα πράγματα πιο ενδιαφέροντα, βελτιώσεις στη μεθοδολογία και την τεχνολογία επιτρέπουν την ανακάλυψη περισσότερων πλανητών μέσα σε μεμονωμένα συστήματα. Εξετάστε την πρόσφατη ανακοίνωση ενός συστήματος επτά πλανητών γύρω από το κόκκινο αστέρι νάνου γνωστό ως TRAPPIST-1. Εκείνη την εποχή, αυτή η ανακάλυψη καθιέρωσε το ρεκόρ για τους περισσότερους εξωπλανήτες σε τροχιά σε ένα μόνο αστέρι.
Λοιπόν μετακινηθείτε στο TRAPPIST-1! Χάρη στο Διαστημικό Τηλεσκόπιο Kepler και τη μηχανική μάθηση, μια ομάδα από το Google AI και το Κέντρο Αστροφυσικής Harvard-Smithsonian (CfA) ανακάλυψαν πρόσφατα έναν όγδοο πλανήτη στο μακρινό αστρικό σύστημα του Kepler-90. Γνωστή ως Kepler -90i, η ανακάλυψη αυτού του πλανήτη έγινε δυνατή χάρη στους αλγορίθμους της Google που ανίχνευσαν ενδείξεις αδύναμου σήματος διέλευσης στα δεδομένα αποστολής του Kepler.
Η μελέτη που περιγράφει τα ευρήματά τους, με τίτλο «Αναγνώριση εξωπλανητών με βαθιά μάθηση: μια αντηχεία αλυσίδα πέντε πλανητών γύρω από το Kepler-80 και ένας οκτώ πλανήτης γύρω από το Kepler-90», εμφανίστηκε πρόσφατα στο διαδίκτυο και έγινε αποδεκτή για δημοσίευση στο Η Αστρονομική Εφημερίδα. Η ερευνητική ομάδα αποτελούνταν από τον Christopher Shallue του Google AI και τον Andrew Vanderburg του Πανεπιστημίου του Τέξας και το CfA.
Το Kepler-90, ένα αστέρι σαν τον Ήλιο, βρίσκεται περίπου 2.545 έτη φωτός από τη Γη στον αστερισμό Draco. Όπως σημειώθηκε, προηγούμενες έρευνες είχαν δείξει την ύπαρξη επτά πλανητών γύρω από το αστέρι, ένας συνδυασμός χερσαίων πλανητών (γνωστού και ως βραχώδους) πλανήτη και γιγάντων αερίου. Ωστόσο, αφού χρησιμοποίησε έναν αλγόριθμο Google που δημιουργήθηκε για αναζήτηση μέσω δεδομένων του Kepler, η ερευνητική ομάδα επιβεβαίωσε ότι το σήμα ενός άλλου πλανήτη που βρίσκεται σε τροχιά γύρω από τα κρυμμένα μέσα στα δεδομένα.
Η αποστολή Kepler βασίζεται στη Μέθοδο Διαμετακόμισης (γνωστή και ως Φωτομετρία Διαμετακόμισης) για να διακρίνει την παρουσία πλανητών γύρω από φωτεινότερα αστέρια. Αυτό συνίσταται στην παρατήρηση των αστεριών για περιοδικές πτώσεις στη φωτεινότητα, οι οποίες αποτελούν ένδειξη ότι ένας πλανήτης περνά μπροστά από το αστέρι (δηλαδή διέρχεται) σε σχέση με τον παρατηρητή. Για χάρη της μελέτης τους, οι Shallue και Vanderburg εκπαίδευσαν έναν υπολογιστή για να διαβάσουν τις καμπύλες φωτός που καταγράφηκαν από τον Kepler και να προσδιορίσουν την παρουσία των διελεύσεων.
Αυτό το τεχνητό «νευρικό δίκτυο» κοσκινίστηκε μέσω των δεδομένων του Kepler και βρήκε αδύναμα σήματα διαμετακόμισης που έδειχναν την παρουσία ενός πλανήτη που έλειπε προηγουμένως γύρω από το Kepler-90. Αυτή η ανακάλυψη όχι μόνο έδειξε ότι αυτό το σύστημα μοιάζει πολύ με το δικό μας, αλλά επιβεβαιώνει την αξία της χρήσης τεχνητής νοημοσύνης για την εξόρυξη αρχειακών δεδομένων. Ενώ η μηχανική εκμάθηση έχει χρησιμοποιηθεί για την αναζήτηση δεδομένων Kepler στο παρελθόν, αυτή η έρευνα δείχνει ότι ακόμη και τα πιο αδύναμα σήματα μπορούν τώρα να διακριθούν.
Όπως είπε ο Paul Hertz, διευθυντής του τμήματος αστροφυσικής της NASA στην Ουάσινγκτον, σε πρόσφατο δελτίο τύπου της NASA:
«Όπως ακριβώς περιμέναμε, υπάρχουν συναρπαστικές ανακαλύψεις που κρύβονται στα αρχειοθετημένα δεδομένα μας Kepler, περιμένοντας το σωστό εργαλείο ή την τεχνολογία για να τα ανακαλύψουν. Αυτό το εύρημα δείχνει ότι τα δεδομένα μας θα είναι ένας θησαυρός διαθέσιμος για καινοτόμους ερευνητές για τα επόμενα χρόνια. "
Αυτός ο πλανήτης που ανακαλύφθηκε πρόσφατα, γνωστός ως Kepler-90i, είναι ένας βραχώδης πλανήτης που είναι συγκρίσιμου μεγέθους με τη Γη (1,32 ± 0,21 ακτίνες της Γης) που περιστρέφεται γύρω από το αστέρι του με περίοδο 14,4 ημερών. Δεδομένης της εγγύτητάς του με το αστέρι, αυτός ο πλανήτης πιστεύεται ότι αντιμετωπίζει ακραίες θερμοκρασίες 709 K (436 ° C; 817 ° F) - καθιστώντας τον πιο ζεστό από το υψηλό της ημέρας του Mercury 700 K (427 ° C; 800 ° F).
Ως ανώτερος μηχανικός λογισμικού στην ερευνητική ομάδα Google AI της Google, ο Shallue βρήκε την ιδέα να εφαρμόσει ένα νευρωνικό δίκτυο στα δεδομένα του Kepler αφού έμαθε ότι η αστρονομία (όπως και άλλοι κλάδοι της επιστήμης) γίνεται γρήγορα μια ανησυχία «μεγάλων δεδομένων». Καθώς η τεχνολογία συλλογής δεδομένων γίνεται πιο προηγμένη, οι επιστήμονες κατακλύζονται από σύνολα δεδομένων συνεχώς αυξανόμενου μεγέθους και πολυπλοκότητας. Όπως εξήγησε ο Shallue:
«Στον ελεύθερο χρόνο μου, άρχισα να« βρίσκω εξωπλανήτες με μεγάλα σύνολα δεδομένων »και έμαθα για την αποστολή του Kepler και το τεράστιο διαθέσιμο σύνολο δεδομένων. Η μηχανική εκμάθηση λάμπει πραγματικά σε καταστάσεις όπου υπάρχουν τόσο πολλά δεδομένα που οι άνθρωποι δεν μπορούν να το αναζητήσουν για τον εαυτό τους. "
Η αποστολή Kepler, στα πρώτα τέσσερα χρόνια λειτουργίας της, συγκέντρωσε ένα σύνολο δεδομένων που αποτελείται από 35.000 πιθανά σήματα πλανητικής διέλευσης. Στο παρελθόν, χρησιμοποιήθηκαν αυτοματοποιημένες δοκιμές και μερικές φορές οπτικές επιθεωρήσεις για την επαλήθευση των πιο υποσχόμενων σημάτων στα δεδομένα. Ωστόσο, τα πιο αδύναμα σήματα έλειπαν συχνά με αυτές τις μεθόδους, αφήνοντας δεκάδες ή ακόμα και εκατοντάδες πλανήτες να μην λογίζονται.
Προσπαθώντας να βελτιωθεί, ο Shallue συνεργάστηκε με τον Andrew Vanderburgh - έναν Εθνικό Επιστημονικό Ίδρυμα Μεταπτυχιακό Ερευνητικό Φίλο και τη NASA Sagan Fellow - για να δει αν η μηχανική μάθηση θα μπορούσε να εξορύξει τα δεδομένα και να εμφανίσει περισσότερα σήματα. Το πρώτο βήμα συνίστατο στην εκπαίδευση ενός νευρικού δικτύου για τον εντοπισμό διαμετακομιστικών εξωπλανητών χρησιμοποιώντας ένα σύνολο 15.000 σημάτων που είχαν προηγουμένως ελεγχθεί από τον κατάλογο εξωπλανητών Kepler.
Στο σύνολο δοκιμών, το νευρωνικό δίκτυο αναγνώρισε σωστά τους πραγματικούς πλανήτες και τα ψευδώς θετικά με ποσοστό ακρίβειας 96%. Έχοντας αποδείξει ότι μπορούσε να αναγνωρίσει σήματα διαμετακόμισης, η ομάδα κατευθύνθηκε έπειτα το νευρικό τους δίκτυο για να αναζητήσει ασθενέστερα σήματα σε συστήματα 670 αστέρων που είχαν ήδη πολλούς γνωστούς πλανήτες. Αυτά περιελάμβαναν το Kepler-80, το οποίο είχε πέντε γνωστούς στο παρελθόν πλανήτες, και το Kepler-90, το οποίο είχε επτά. Όπως ανέφερε ο Vanderburg:
«Έχουμε πολλά ψευδώς θετικά πλανητών, αλλά και δυνητικά πιο πραγματικούς πλανήτες. Είναι σαν να κοσκινίζεις βράχια για να βρεις κοσμήματα. Εάν έχετε ένα λεπτότερο κόσκινο, τότε θα πιάσετε περισσότερους βράχους, αλλά μπορεί επίσης να πιάσετε περισσότερα κοσμήματα. "
Ο έκτος πλανήτης στο Kepler-80 είναι γνωστός ως Kepler-80g, ένας πλανήτης μεγέθους Γης που βρίσκεται σε μια συντονισμένη αλυσίδα με τους πέντε γειτονικούς πλανήτες του. Αυτό συμβαίνει όταν οι πλανήτες είναι κλειδωμένοι από την αμοιβαία βαρύτητά τους σε ένα εξαιρετικά σταθερό σύστημα, παρόμοιο με αυτό που βιώνουν οι επτά πλανήτες του TRAPPIST-1. Το Kepler-90i, από την άλλη πλευρά, είναι ένας πλανήτης μεγέθους Γης που βιώνει συνθήκες που μοιάζουν με Ερμή και τροχιές εκτός των 90b και 90c.
Στο μέλλον, οι Shallue και Vanderburg σκοπεύουν να εφαρμόσουν το νευρικό τους δίκτυο στο πλήρες αρχείο του Kepler με περισσότερα από 150.000 αστέρια. Μέσα σε αυτό το τεράστιο σύνολο δεδομένων, πολλοί περισσότεροι πλανήτες είναι πιθανό να παραμονεύουν, και να παραθέτουν πιθανώς μέσα σε πολυ-πλανητικά συστήματα που έχουν ήδη ερευνηθεί. Από αυτή την άποψη, η αποστολή του Kepler (η οποία ήταν ήδη πολύτιμη για την έρευνα στον εξωπλανήτη) έδειξε ότι έχει πολλά περισσότερα να προσφέρει.
Όπως είπε η Jessie Dotson, επιστήμονας του Kepler στο Κέντρο Έρευνας Ames της NASA:
«Αυτά τα αποτελέσματα δείχνουν τη διαρκή αξία της αποστολής του Κέπλερ. Νέοι τρόποι εξέτασης των δεδομένων - όπως αυτή η έρευνα σε αρχικό στάδιο για την εφαρμογή αλγορίθμων μηχανικής μάθησης - υπόσχεται να συνεχίσει να αποδίδει σημαντικές εξελίξεις στην κατανόηση των πλανητικών συστημάτων γύρω από άλλα αστέρια. Είμαι βέβαιος ότι υπάρχουν περισσότερα πρώτα στα δεδομένα που περιμένουν τους ανθρώπους να τα βρουν. "
Φυσικά, το γεγονός ότι ένα ηλιακό αστέρι είναι πλέον γνωστό ότι έχει ένα σύστημα οκτώ πλανητών (όπως το Ηλιακό μας Σύστημα), υπάρχουν εκείνοι που αναρωτιούνται αν αυτό το σύστημα θα μπορούσε να είναι ένα καλό στοίχημα για την εξωγήινη ζωή. Αλλά προτού κάποιος να είναι πολύ ενθουσιασμένος, αξίζει να σημειωθεί ότι οι πλανήτες του Kepler-90 βρίσκονται σε τροχιά αρκετά κοντά στο αστέρι. Είναι ο εξόχως πλανήτης, το Kepler-90h, σε τροχιά σε παρόμοια απόσταση με το αστέρι του με τη Γη με τον Ήλιο.
Η ανακάλυψη ενός όγδοου πλανήτη γύρω από ένα άλλο αστέρι σημαίνει επίσης ότι υπάρχει ένα σύστημα εκεί έξω που ανταγωνίζεται το Ηλιακό Σύστημα σε συνολικό αριθμό πλανητών. Ίσως ήρθε η ώρα να επανεξετάσουμε την απόφαση IAU του 2006 - ξέρετε, εκείνη όπου ο Πλούτωνας «υποβιβάστηκε»; Και ενώ είμαστε σε αυτό, ίσως θα πρέπει να παρακολουθήσουμε γρήγορα τις Ceres, Eris, Haumea, Makemake, Sedna και τους υπόλοιπους για το πλανητό. Διαφορετικά, πώς αλλιώς σκοπεύουμε να διατηρήσουμε το αρχείο μας;
Στο μέλλον, παρόμοιες διαδικασίες μηχανικής μάθησης είναι πιθανό να εφαρμοστούν σε αποστολές εξωπλανήτη επόμενης γενιάς, όπως το Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) και το James Webb Space Telescope (JWST). Αυτές οι αποστολές έχουν προγραμματιστεί να ξεκινήσουν το 2018 και το 2019, αντίστοιχα. Και εν τω μεταξύ, υπάρχουν σίγουρα πολλές ακόμη αποκαλύψεις από τον Κέπλερ!
