Forsker ser på AI, linse til at finde masser af frit svævende planeter

Exoplanetjægere har fundet tusindvis af planeter, de fleste kredser tæt på deres værtsstjerner, men relativt få fremmede verdener er blevet opdaget, der flyder frit gennem galaksen som såkaldte slyngelplaneter, ikke bundet til nogen stjerne. Mange astronomer tror, ​​at disse planeter er mere almindelige, end vi ved, men at vores planetfindingsteknikker ikke har været op til opgaven med at lokalisere dem.

De fleste exoplaneter, der er opdaget til dato, blev fundet, fordi de producerer et lille fald i det observerede lys fra deres værtsstjerner, når de passerer over stjernens skive fra vores synspunkt. Disse begivenheder kaldes transits.

NASAs Nancy Grace Roman Space Telescope vil gennemføre en undersøgelse for at opdage mange flere exoplaneter ved hjælp af kraftfulde teknikker, der er tilgængelige for et bredfeltteleskop. Stjernerne i vores Mælkevejs galakse bevæger sig, og tilfældige justeringer kan hjælpe os med at finde slyngelplaneter. Når en fritsvævende planet flugter præcist med en fjern stjerne, dette kan få stjernen til at lysne. Under sådanne begivenheder, planetens tyngdekraft fungerer som en linse, der kortvarigt forstørrer baggrundsstjernens lys. Selvom Roman kan finde slyngelplaneter gennem denne teknik, kaldet gravitationel mikrolinse, der er én ulempe - afstanden til linseplaneten er dårligt kendt.

Goddard-videnskabsmanden Dr. Richard K. Barry er ved at udvikle et missionskoncept kaldet Contemporaneous Lensing Parallax and Autonomous Transient Assay (CLEoPATRA) for at udnytte parallakseeffekter til at beregne disse afstande. Parallaxe er det tilsyneladende skift i positionen af ​​et forgrundsobjekt set af observatører på lidt forskellige steder. Vores hjerner udnytter de lidt forskellige syn på vores øjne, så vi også kan se dybden. Astronomer i det 19. århundrede etablerede først afstanden til nærliggende stjerner ved at bruge den samme effekt, måling af, hvordan deres positioner skiftede i forhold til baggrundsstjerner på fotografier taget, da Jorden var på modsatte sider af sin bane.

Det fungerer lidt anderledes med mikrolinsing, hvor den tilsyneladende justering af planeten og den fjerne baggrundsstjerne i høj grad afhænger af observatørens position. I dette tilfælde, to godt adskilte observatører, hver udstyret med et præcist ur, ville være vidne til den samme mikrolinsebegivenhed på lidt forskellige tidspunkter. Tidsforsinkelsen mellem de to detektioner gør det muligt for forskere at bestemme planetens afstand.

For at maksimere parallakseeffekten, CLEoPATRA ville tage en tur på en Mars-bundet mission, der lanceres omkring samme tid som Roman, i øjeblikket planlagt til slutningen af ​​2025. Det ville placere den i sit eget kredsløb omkring Solen, der ville opnå en tilstrækkelig afstand fra Jorden til effektivt at måle mikrolinseparallaksesignalet og udfylde denne manglende information.

CLEoPATRA-konceptet vil også understøtte PRIME-fokus infrarød mikrolinseeksperiment (PRIME), et jordbaseret teleskop, der i øjeblikket er udstyret med et kamera, der bruger fire detektorer udviklet af den romerske mission. Masseestimater for mikrolinseplaneter detekteret af både Roman og PRIME vil blive væsentligt forbedret ved samtidige parallakseobservationer leveret af CLEoPATRA.

"CleoPATRA ville være i stor afstand fra det vigtigste observatorium, enten romersk eller et teleskop på jorden, " sagde Barry. "Parallaksesignalet skulle så tillade os at beregne ret præcise masser for disse objekter, og derved øge det videnskabelige udbytte."

Stela Ishitani Silva, videnskabelig assistent hos Goddard og ph.d. studerende ved Catholic University of America i Washington, nævnte forståelse af disse fritsvævende planeter vil hjælpe med at udfylde nogle af hullerne i vores viden om, hvordan planeter dannes.

"Vi ønsker at finde flere fritsvævende planeter og forsøge at få information om deres masser, så vi kan forstå, hvad der er almindeligt eller slet ikke almindeligt, " sagde Ishitani Silva. "At opnå massen er vigtigt for at forstå deres planetariske udvikling."

For effektivt at finde disse planeter, CLEOPATRA, som afsluttede en Mission Planning Laboratory-undersøgelse på Wallops Flight Facility i begyndelsen af ​​august, vil bruge kunstig intelligens. Dr. Greg Olmschenk, en postdoc, der arbejder med Barry, har udviklet en AI kaldet RApid Machine learnEd Triage (RAMjET) til missionen.

"Jeg arbejder med visse former for kunstig intelligens kaldet neurale netværk, " sagde Olmschenk. "Det er en form for kunstig intelligens, der vil lære gennem eksempler. Så, du giver den en masse eksempler på de ting, du vil finde, og den ting du vil have den skal filtrere fra, og så vil den lære at genkende mønstre i disse data for at prøve at finde de ting, du vil beholde, og de ting, du vil smide væk."

Til sidst, AI'en lærer, hvad den skal identificere og sender kun vigtige oplysninger tilbage. Ved filtrering af disse oplysninger, RAMjET vil hjælpe CLEoPATRA med at overvinde en ekstremt begrænset dataoverførselshastighed. CLEoPATRA bliver nødt til at se millioner af stjerner hver time eller deromkring, og der er ingen måde at sende alle de data til Jorden. Derfor, rumfartøjet bliver nødt til at analysere dataene om bord og kun sende målingerne tilbage for kilder, som det registrerer er mikrolinsehændelser.

"CleoPATRA vil tillade os at estimere mange højpræcisionsmasser for nye planeter opdaget af Roman og PRIME, " sagde Barry. "Og det kan give os mulighed for at fange eller estimere den faktiske masse af en fritsvævende planet for første gang - aldrig blevet gjort før. Så sejt, og så spændende. Virkelig, det er en ny guldalder for astronomi lige nu, og jeg er bare meget begejstret for det."