AI Mendedahkan Sambungan Tidak Disyaki Tersembunyi dalam Carian Asas Matematik Kompleks untuk Exoplanets

Konsep artis tentang bintang seperti matahari (kiri) dan planet berbatu kira-kira 60% lebih besar daripada Bumi di orbit di zon boleh didiami bintang itu. Lensa mikro graviti mempunyai keupayaan untuk mengesan sistem planet sedemikian dan menentukan jisim dan jarak orbit, walaupun planet itu sendiri terlalu malap untuk dilihat. Kredit: NASA Ames/JPL-Caltech/T. Pyle

Algoritma pembelajaran mesin menunjukkan masalah dalam teori matematik untuk mentafsir kanta mikro.

Sistem kecerdasan buatan (AI) yang dilatih pada pemerhatian astronomi sebenar kini mengatasi ahli astronomi dalam menapis sejumlah besar data untuk mencari bintang baru yang meletup, mengenal pasti jenis galaksi baharu dan mengesan penggabungan bintang besar, meningkatkan kadar penemuan baharu di dunia. sains tertua.

Tetapi sejenis AI yang dipanggil pembelajaran mesin boleh mendedahkan sesuatu yang lebih mendalam, Universiti California, Berkeleyahli astronomi menemui: sambungan yang tidak disyaki tersembunyi dalam matematik kompleks yang timbul daripada relativiti am — khususnya, bagaimana teori itu digunakan untuk mencari planet baharu di sekeliling bintang lain.

Dalam makalah yang diterbitkan pada 23 Mei 2022, dalam jurnal Astronomi Alampara penyelidik menerangkan bagaimana algoritma AI dibangunkan untuk mengesan dengan lebih cepat eksoplanet apabila sistem planet sebegitu melintas di hadapan bintang latar belakang dan mencerahkannya secara ringkas — satu proses yang dikenali sebagai kanta mikro graviti — mendedahkan bahawa teori-teori yang berusia beberapa dekad yang kini digunakan untuk menjelaskan pemerhatian ini adalah sangat tidak lengkap.

Pada tahun 1936, Albert Einstein sendiri menggunakan teori barunya tentang relativiti am untuk menunjukkan bagaimana cahaya dari bintang yang jauh boleh dibengkokkan oleh graviti bintang latar depan, bukan sahaja mencerahkannya seperti yang dilihat dari Bumi, tetapi sering membelahnya kepada beberapa titik. ringan atau herotkannya menjadi cincin, kini dipanggil an Cincin Einstein. Ini serupa dengan cara kanta tangan boleh memfokus dan memperhebatkan cahaya dari matahari.

Tetapi apabila objek latar depan adalah bintang dengan planet, kecerahan dari masa ke masa – lengkung cahaya – adalah lebih rumit. Lebih-lebih lagi, selalunya terdapat berbilang orbit planet yang boleh menerangkan lengkung cahaya tertentu dengan sama baik — yang dipanggil degenerasi. Di situlah manusia memudahkan matematik dan terlepas gambaran yang lebih besar.

Geometri Penemuan Exoplanet

Dilihat dari Bumi (kiri), sistem planet yang bergerak di hadapan bintang latar belakang (sumber, kanan) memesongkan cahaya dari bintang itu, menjadikannya cerah sebanyak 10 atau 100 kali ganda. Oleh kerana kedua-dua bintang dan eksoplanet dalam sistem membengkokkan cahaya dari bintang latar belakang, jisim dan parameter orbit sistem boleh menjadi samar-samar. Algoritma AI yang dibangunkan oleh ahli astronomi UC Berkeley mengatasi masalah itu, tetapi ia juga menunjukkan ralat dalam cara ahli astronomi mentafsirkan matematik kanta mikro graviti. Kredit: Gambar rajah ihsan Research Gate

Algoritma AI, bagaimanapun, menunjuk kepada cara matematik untuk menyatukan dua jenis degenerasi utama dalam mentafsir perkara yang dikesan oleh teleskop semasa microlensing, menunjukkan bahawa kedua-dua “teori” adalah benar-benar kes istimewa bagi teori yang lebih luas yang, penyelidik mengakui, berkemungkinan besar. masih tidak lengkap.

“Algoritma inferens pembelajaran mesin yang kami bangunkan sebelum ini membawa kami menemui sesuatu yang baharu dan asas tentang persamaan yang mengawal kesan relativistik umum lenturan cahaya oleh dua jasad besar,” tulis Joshua Bloom dalam catatan blog tahun lepas apabila dia memuat naik kertas itu ke pelayan pracetak, arXiv. Bloom ialah seorang profesor astronomi UC Berkeley dan pengerusi jabatan itu.

Dia membandingkan penemuan oleh pelajar siswazah UC Berkeley Keming Zhang dengan hubungan yang pasukan AI Google, DeepMind, baru dibuat antara dua bidang matematik yang berbeza. Diambil bersama, contoh ini menunjukkan bahawa sistem AI boleh mendedahkan persatuan asas yang manusia rindui.

“Saya berpendapat bahawa mereka merupakan salah satu yang pertama, jika bukan kali pertama AI telah digunakan untuk secara langsung menghasilkan wawasan teori baru dalam matematik dan astronomi,” kata Bloom. “Sama seperti Steve Jobs mencadangkan komputer boleh menjadi basikal minda, kami telah mencari rangka kerja AI untuk berfungsi sebagai kapal roket intelektual untuk saintis.”

“Ini adalah satu peristiwa penting dalam AI dan pembelajaran mesin,” tegas pengarang bersama Scott Gaudi, seorang profesor astronomi di The Ohio State University dan salah seorang perintis menggunakan kanta mikro graviti untuk menemui exoplanet. “Algoritma pembelajaran mesin Keming mendedahkan kemerosotan ini yang telah dilepaskan oleh pakar dalam bidang yang bekerja keras dengan data selama beberapa dekad. Ini menunjukkan bagaimana penyelidikan akan dijalankan pada masa hadapan apabila ia dibantu oleh pembelajaran mesin, yang benar-benar mengujakan.”

Menemui exoplanet dengan kanta mikro

Lebih daripada 5,000 exoplanetatau planet luar suria, telah ditemui di sekitar bintang di Bima Saktiwalaupun hanya sedikit yang benar-benar dilihat melalui teleskop – mereka terlalu malap. Kebanyakannya telah dikesan kerana mereka mencipta goyangan Doppler dalam gerakan bintang tuan rumah mereka atau kerana mereka memalapkan sedikit cahaya daripada bintang tuan rumah apabila mereka melintasi di hadapannya — transit yang menjadi tumpuan NASAmisi Kepler. Lebih sedikit daripada 100 telah ditemui oleh teknik ketiga, kanta mikro.

Planet Extrasolar Dikesan oleh Gravitational Microlensing

Infografik ini menerangkan lengkung cahaya yang dikesan oleh ahli astronomi apabila melihat peristiwa kanta mikro, dan tandatangan exoplanet: peningkatan tambahan dalam kecerahan apabila eksoplanet memancarkan bintang latar belakang. Kredit: NASA, ESA dan K. Sahu (STScI)

Salah satu matlamat utama Teleskop Angkasa Rom Nancy Grace NASAyang dijadualkan dilancarkan menjelang 2027, adalah untuk temui beribu-ribu lagi exoplanet melalui mikrolensing. Teknik ini mempunyai kelebihan berbanding teknik Doppler dan transit kerana ia boleh mengesan planet berjisim rendah, termasuk saiz Bumi, yang jauh dari bintangnya, pada jarak yang setara dengan planet. Musytari atau Zuhal dalam sistem suria kita.

Bloom, Zhang dan rakan sekerja mereka telah menetapkan dua tahun lalu untuk membangunkan algoritma AI untuk menganalisis data kanta mikro dengan lebih pantas untuk menentukan jisim bintang dan planet sistem planet ini dan jarak planet mengorbit dari bintang mereka. Algoritma sedemikian akan mempercepatkan analisis kemungkinan ratusan ribu peristiwa yang akan dikesan oleh teleskop Rom untuk mencari 1% atau kurang yang disebabkan oleh sistem eksoplanet.

Satu masalah yang dihadapi oleh ahli astronomi, bagaimanapun, ialah isyarat yang diperhatikan boleh menjadi samar-samar. Apabila bintang latar depan tunggal melintas di hadapan bintang latar belakang, kecerahan bintang latar belakang naik dengan lancar ke puncak dan kemudian turun secara simetri kepada kecerahan asalnya. Ia mudah difahami secara matematik dan pemerhatian.

Keming Zhang

Pelajar kedoktoran UC Berkeley Keming Zhang. Kredit: Foto ihsan Keming Zhang

Tetapi jika bintang latar depan mempunyai planet, planet itu mencipta puncak kecerahan yang berasingan dalam puncak yang disebabkan oleh bintang itu. Apabila cuba membina semula konfigurasi orbital exoplanet yang menghasilkan isyarat, relativiti am selalunya membenarkan dua atau lebih penyelesaian yang dipanggil merosot, yang semuanya boleh menjelaskan pemerhatian.

Sehingga kini, ahli astronomi secara amnya menangani kemerosotan ini dengan cara yang mudah dan berbeza secara buatan, kata Gaudi. Jika cahaya bintang yang jauh melepasi dekat dengan bintang, pemerhatian boleh ditafsirkan sama ada sebagai orbit yang luas atau dekat untuk planet ini – ahli astronomi yang tidak jelas selalunya boleh menyelesaikannya dengan data lain. Jenis degenerasi kedua berlaku apabila cahaya bintang latar belakang melepasi dekat dengan planet. Walau bagaimanapun, dalam kes ini, dua penyelesaian yang berbeza untuk orbit planet secara amnya hanya berbeza sedikit.

Menurut Gaudi, kedua-dua penyederhanaan mikrolensa graviti dua jasad ini biasanya mencukupi untuk menentukan jisim sebenar dan jarak orbit. Malah, dalam a kertas kerja yang diterbitkan tahun lepas, Zhang, Bloom, Gaudi dan dua lagi pengarang bersama UC Berkeley, profesor astronomi Jessica Lu dan pelajar siswazah Casey Lam, menerangkan algoritma AI baharu yang tidak bergantung pada pengetahuan tentang tafsiran ini sama sekali. Algoritma ini sangat mempercepatkan analisis pemerhatian kanta mikro, memberikan hasil dalam milisaat, bukannya hari, dan secara drastik mengurangkan kekejangan komputer.

Zhang kemudiannya menguji algoritma AI baharu pada lengkung cahaya kanta mikro daripada ratusan kemungkinan konfigurasi orbit bintang dan eksoplanet dan menemui sesuatu yang luar biasa: Terdapat kekaburan lain yang tidak diambil kira oleh kedua-dua tafsiran itu. Beliau menyimpulkan bahawa tafsiran yang biasa digunakan bagi kanta mikro, sebenarnya, hanyalah kes khas bagi teori yang lebih luas yang menerangkan kepelbagaian penuh kekaburan dalam peristiwa kanta mikro.

“Dua teori degenerasi sebelum ini menangani kes di mana bintang latar belakang kelihatan melepasi dekat dengan bintang latar depan atau planet latar depan,” kata Zhang. “Algoritma AI menunjukkan kepada kita beratus-ratus contoh daripada bukan sahaja dua kes ini, tetapi juga situasi di mana bintang tidak melepasi sama ada bintang atau planet dan tidak dapat dijelaskan oleh mana-mana teori sebelumnya. Itu adalah kunci kepada kami mencadangkan teori penyatuan baharu.”

Gaudi pada mulanya ragu-ragu, tetapi muncul selepas Zhang menghasilkan banyak contoh di mana dua teori sebelumnya tidak sesuai dengan pemerhatian dan teori baru itu. Zhang sebenarnya melihat data daripada dua dozen kertas terdahulu yang melaporkan penemuan eksoplanet melalui microlensing dan mendapati, dalam semua kes, teori baharu itu lebih sesuai dengan data daripada teori sebelumnya.

“Orang ramai melihat peristiwa kanta mikro ini, yang sebenarnya mempamerkan degenerasi baharu ini tetapi tidak menyedarinya,” kata Gaudi. “Ia sebenarnya hanya pembelajaran mesin yang melihat beribu-ribu acara yang menjadi mustahil untuk terlepas.”

Zhang dan Gaudi telah menyerahkan a kertas baru yang menerangkan dengan teliti matematik baharu berdasarkan relativiti am dan meneroka teori dalam situasi kanta mikro di mana lebih daripada satu eksoplanet mengorbit bintang.

Teori baharu secara teknikal menjadikan tafsiran pemerhatian kanta mikro lebih samar-samar, kerana terdapat lebih banyak penyelesaian yang merosot untuk menerangkan pemerhatian. Tetapi teori itu juga menunjukkan dengan jelas bahawa memerhatikan peristiwa mikrolensing yang sama dari dua perspektif – dari Bumi dan dari orbit Teleskop Angkasa Rom, sebagai contoh – akan memudahkan untuk menyelesaikan orbit dan jisim yang betul. Itulah yang sedang dirancang oleh ahli astronomi, kata Gaudi.

“AI mencadangkan cara untuk melihat persamaan lensa dalam cahaya baharu dan mendedahkan sesuatu yang sangat mendalam tentang matematiknya,” kata Bloom. “AI agak muncul sebagai bukan sahaja alat tumpul jenis ini yang terdapat dalam kotak alat kami, tetapi sebagai sesuatu yang sebenarnya agak bijak. Di samping pakar seperti Keming, mereka berdua mampu melakukan sesuatu yang sangat asas.”

Rujukan: “Kemerosotan penyatuan di mana-mana dalam sistem kanta mikro dua badan” oleh Keming Zhang, B. Scott Gaudi dan Joshua S. Bloom, 23 Mei 2022, Astronomi Alam.
DOI: 10.1038/s41550-022-01671-6

We want to say thanks to the author of this article for this incredible material

AI Mendedahkan Sambungan Tidak Disyaki Tersembunyi dalam Carian Asas Matematik Kompleks untuk Exoplanets


We have our social media profiles here , as well as additional related pages here.https://paw6.info/related-pages/