Søger i et hav af støj for at finde exoplaneter - kun ved hjælp af data som guide

Yale-forskere har fundet en datadrevet måde at opdage fjerne planeter og forfine søgen efter verdener, der ligner Jorden.

Den nye tilgang, skitseret i en undersøgelse offentliggjort 20. december i Det astronomiske tidsskrift , bygger på matematiske metoder, der har deres fundament i fysikforskning. I stedet for at forsøge at filtrere signalet "støj" fra stjerner, som exoplaneter kredser omkring, Yale-forskere studerede alle signaloplysningerne sammen for at forstå forviklingerne i dens struktur.

"Det kræver ikke andet end selve dataene, som er en game changer, " sagde seniorforfatter John Wettlaufer, A.M. Bateman professor i geofysik, Matematik og fysik på Yale. "I øvrigt, det giver os mulighed for at sammenligne vores resultater med andre, traditionelle tilgange og forbedre de modelleringsantagelser, de bruger."

Søgningen efter exoplaneter – planeter fundet uden for vores eget solsystem – er steget dramatisk i de senere år. Indsatsen er motiveret, delvis, af et ønske om at opdage jordanaloger, der måske også understøtter liv.

Forskere har brugt mange teknikker i denne indsats, inklusive pulsar timing, direkte billeddannelse, og måling af den hastighed, hvormed stjerner og galakser bevæger sig enten mod eller væk fra Jorden. Men hver af disse teknikker, enkeltvis eller i kombination, giver udfordringer.

Primært, disse udfordringer har at gøre med at eliminere uvedkommende data – støj – som ikke matcher eksisterende modeller for, hvordan planeter forventes at opføre sig. I denne traditionelle fortolkning af støj, søgninger kan hæmmes af data, der skjuler eller efterligner exoplaneter.

Wettlaufer og hans kolleger besluttede at lede efter exoplaneter på samme måde, som de havde sorteret gennem satellitdata for at finde komplekse ændringer i arktisk havis. Det formelle navn for tilgangen er "multi-fractal temporally weighted detrended fluktuation analysis" (MF-TWDFA). Det sifter data på alle tidsskalaer og udtrækker de underliggende processer forbundet med dem.

"En central idé er, at begivenheder tættere på tiden er mere tilbøjelige til at ligne dem, der er længere væk i tiden, " sagde Wettlaufer. "I tilfælde af exoplaneter, det er fluktuationerne i en stjernes spektrale intensitet, vi har at gøre med."

Brugen af ​​multi-fraktaler i videnskab og matematik blev pioneret ved Yale af Benoit B. Mandelbrot og Katepalli Sreenivasan. For ekspertise i søgningen efter exoplaneter, forskerne rådførte sig med Yale-astrofysiker Debra Fischer, der har foregået mange tilgange inden for området.

Forskerne bekræftede nøjagtigheden af ​​deres metode ved at teste den mod observationer og simuleringsdata fra en kendt planet, der kredser om en stjerne i stjernebilledet Vulpecula, cirka 63 lysår fra Jorden.