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人工智能進(jìn)軍天文學(xué)界?

發(fā)布日期:2018-01-09 點(diǎn)擊次數(shù):943
  美國(guó)宇航局開(kāi)普勒探測(cè)器的插圖。該探測(cè)器于2009年發(fā)射升空,旨在尋找地外行星。插圖:WENDY STENZEL, AMES RESEARCH CENTER/NASA
  
  撰文:Nadia Drake
  
  天文學(xué)界上的第一次!科學(xué)家訓(xùn)練出了人工智能,用于在望遠(yuǎn)鏡收集的巨量數(shù)據(jù)中進(jìn)行篩選,結(jié)果還真的發(fā)現(xiàn)了一個(gè)全新的星球。
  
  這顆新發(fā)現(xiàn)的行星編號(hào)為“開(kāi)普勒-90i(Kepler-90i)”,此前一直隱藏在美國(guó)宇航局開(kāi)普勒探測(cè)器收集的數(shù)據(jù)中。這顆行星距離地球約2500光年,它與另外7顆行星一起圍繞著一顆恒星公轉(zhuǎn),因此,開(kāi)普勒-90系統(tǒng),與我們所在的太陽(yáng)系有許多相似之處。
  
  “開(kāi)普勒已經(jīng)像我們證明,多數(shù)恒星都擁有行星。”美國(guó)宇航局的Paul Hertz在宣布這一發(fā)現(xiàn)的新聞發(fā)布會(huì)上說(shuō)道。如今,開(kāi)普勒已經(jīng)證實(shí),恒星可以與我們的太陽(yáng)系一樣,擁有龐大的行星家族。
  
  在新聞發(fā)布會(huì)之前的幾天里,有媒體瘋傳可能探測(cè)到了外星生命。毫無(wú)意外,這個(gè)消息完全不靠譜,但是,它卻從側(cè)面證明,機(jī)器學(xué)習(xí)能夠幫助我們更多地了解整個(gè)星系中可能令人激動(dòng)的星球。
  
  在星辰大海中搜尋
  
  開(kāi)普勒探測(cè)器2009年發(fā)射升空,已經(jīng)盯著一小塊天空中的15萬(wàn)顆恒星,足足看了4年。它的任務(wù)是尋找行星經(jīng)過(guò)恒星前面時(shí),對(duì)恒星所產(chǎn)生的微小遮擋。當(dāng)科學(xué)家在數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)此類微小信號(hào)時(shí),就能夠測(cè)算出行星的大小,以及它與其母恒星之間的距離。
  
  截至目前,開(kāi)普勒探測(cè)器已經(jīng)確認(rèn)了2525顆行星,其數(shù)據(jù)中還有更多行星有待發(fā)現(xiàn)。但是,想要確認(rèn)一顆行星并非易事。對(duì)人類而言,人工梳理巨量的開(kāi)普勒數(shù)據(jù)是一項(xiàng)不可完成的任務(wù),因?yàn)檫@些數(shù)據(jù)中包含有10的8次方個(gè)潛在的行星軌道。此外,恒星光線的變?nèi)?,并不一定全是行星所為:恒星黑子、雙星及其它天體都有可能產(chǎn)生與行星掩住恒星一樣的效果。
  
  正因如此,谷歌人工智能部門的Chris Shallue決定利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)解決這一難題。此前,機(jī)器學(xué)習(xí)的方式已經(jīng)被用于篩選、分類普勒的數(shù)據(jù),但是,Shallue的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠提供更加強(qiáng)大的算法。
  
  Shallue說(shuō):“當(dāng)我得知開(kāi)普勒探測(cè)器收集到了這么多的數(shù)據(jù),科學(xué)家們無(wú)法全靠人工進(jìn)行審查時(shí),我就想把神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于天文學(xué)。我們的想法是,把這一技術(shù)用于星空,教會(huì)機(jī)器的學(xué)習(xí)系統(tǒng)如何分辨遙遠(yuǎn)恒星周圍的行星。”
  
  開(kāi)辟觀測(cè)新視角
  
  顧名思義,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),是基于人類大腦工作的原理而構(gòu)造的。人類可以訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),讓它們識(shí)別和分類事物,比如分辨狗與貓的照片有何區(qū)別。最終,在看過(guò)足夠的樣本之后,電腦就能夠自己將貓和狗進(jìn)行分類。
  
  Shallue訓(xùn)練了一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),識(shí)別行星的獨(dú)特“指紋”。他從開(kāi)普勒數(shù)據(jù)庫(kù)中提取出15000個(gè)真實(shí)的行星特征,讓神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)辨別真實(shí)行星的信號(hào)與偽裝成行星的信號(hào)之間的差異。
  
  之后便是實(shí)戰(zhàn)驗(yàn)證階段。Shallue與德州大學(xué)的Andrew Vanderburg,讓這個(gè)系統(tǒng)仔細(xì)檢查了670顆已知擁有行星的恒星,因?yàn)樵谶@些恒星周圍可能存在更多顆行星。
  
  然后,他們向系統(tǒng)輸入不夠強(qiáng)、人工無(wú)法處理的信號(hào)。在這些信號(hào)中,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)識(shí)別出了兩顆新行星。研究結(jié)果發(fā)表在了《天文學(xué)期刊》上。
  
  “這兩顆星星的信號(hào)很弱,此前的所有搜尋都錯(cuò)過(guò)了它們。”Shallue說(shuō)道。
  
  仍需探索新領(lǐng)域
  
  其中一顆行星是“開(kāi)普勒-80g”,它是所在恒星系中第六顆已知的行星。開(kāi)普勒-80g大小與地球相當(dāng),圍繞其母恒星公轉(zhuǎn)一周需14.6天,而其母恒星比我們的太陽(yáng)更小、更紅。
  
  神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)還找出了“開(kāi)普勒-90i”。這顆行星比地球稍大,公轉(zhuǎn)一周需要兩個(gè)星期的時(shí)間,是所在恒星系中發(fā)現(xiàn)的第三顆巖質(zhì)行星,而其母恒星比我們的太陽(yáng)稍大且更熱。在開(kāi)普勒-90i內(nèi)側(cè),還有兩顆較小的行星,而在其外側(cè)公轉(zhuǎn)的行星則要大得多。
  
  這些行星都很大,但還都“抱團(tuán)”在一起:八顆行星與其母恒星的距離,與日地距離相同。
  
  Vanderburg說(shuō):“我可不想去開(kāi)普勒-90i這種地方。它的地表很可能非常熾熱。我們通過(guò)計(jì)算,它的平均溫度約為427攝氏度。”
  
  他還補(bǔ)充說(shuō),恒星開(kāi)普勒-90可能還有更多行星有待發(fā)現(xiàn)。他和Shallue計(jì)劃將開(kāi)普勒的所有數(shù)據(jù)都輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),看看有何結(jié)果。
  
  但是,現(xiàn)在不需要擔(dān)心電腦代替人類天文學(xué)家。
  
  美國(guó)宇航局的Jessie Dotson說(shuō):“這項(xiàng)工作絕對(duì)要與天文學(xué)家一同進(jìn)行。永遠(yuǎn)都不能排除這一點(diǎn)。你首先要有最初的分類,才能訓(xùn)練機(jī)器學(xué)習(xí),然后,它才能比人類處理更多的信號(hào)。”
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