AI og fotonik går sammen for at gøre det nemmere at finde nye jorder

Australske forskere har udviklet en ny type sensor til at måle og korrigere forvrængning af stjernelys forårsaget af at se gennem jordens atmosfære, hvilket skulle gøre det lettere at studere muligheden for liv på fjerne planeter.

Brug af kunstig intelligens og maskinlæring, Optiske forskere fra University of Sydney har udviklet en sensor, der kan neutralisere en stjernes 'glimt' forårsaget af varmevariationer i jordens atmosfære. Dette vil gøre opdagelsen og undersøgelsen af ​​planeter i fjerne solsystemer lettere fra optiske teleskoper på Jorden.

"Den vigtigste måde, vi identificerer planeter, der kredser om fjerne stjerner, er ved at måle regelmæssige fald i stjernelys forårsaget af planeter, der blokerer stykker af deres sol, " sagde hovedforfatter Dr. Barnaby Norris, der har en fælles stilling som forskningsstipendiat i University of Sydney Astrophotonic Instrumentation Laboratory og i University of Sydney node of Australian Astronomical Optics i School of Physics.

"Det er virkelig svært fra jorden, så vi var nødt til at udvikle en ny måde at se op på stjernerne på. Vi ønskede også at finde en måde at observere disse planeter direkte fra Jorden, " han sagde.

Holdets opfindelse vil nu blive implementeret i et af de største optiske teleskoper i verden, det 8,2 meter Subaru-teleskop på Hawaii, drives af Japans National Astronomical Observatory.

"Det er virkelig svært at adskille en stjernes 'glimt' fra lysfaldene forårsaget af planeter, når man observerer fra Jorden, Dr. Norris sagde. "De fleste observationer af exoplaneter er kommet fra kredsende teleskoper, såsom NASAs Kepler. Med vores opfindelse, vi håber at kunne lancere en renæssance i exoplanetobservation fra jorden."

Forskningen er offentliggjort i dag i Naturkommunikation .

Nye metoder

Brug af den nye 'fotoniske bølgefrontsensor' vil hjælpe astronomer med direkte billede af exoplaneter omkring fjerne stjerner fra Jorden.

I løbet af de sidste to årtier, tusindvis af planeter uden for vores solsystem er blevet opdaget, men kun en lille håndfuld er blevet direkte afbildet fra Jorden. Dette begrænser i høj grad den videnskabelige udforskning af disse exoplaneter.

At lave et billede af planeten giver langt mere information end indirekte detektionsmetoder, som at måle fald i stjernelys. Jordlignende planeter kan forekomme en milliard gange svagere end deres værtsstjerne. Og at observere planeten adskilt fra dens stjerne er som at se på en 10-cent mønt holdt i Sydney, set fra Melbourne.

For at løse dette problem, det videnskabelige hold i Fysikskolen udviklede en 'fotonisk bølgefrontsensor', en ny måde at tillade, at den nøjagtige forvrængning forårsaget af atmosfæren kan måles, så det kan derefter korrigeres af teleskopets adaptive optiksystemer tusindvis af gange i sekundet.

"Denne nye sensor kombinerer avancerede fotoniske enheder med deep learning og neurale netværksteknikker for at opnå en hidtil uset type bølgefrontsensor til store teleskoper, sagde Dr. Norris.

"I modsætning til konventionelle bølgefrontsensorer, det kan placeres på samme sted i det optiske instrument, hvor billedet dannes. Det betyder, at den er følsom over for typer af forvrængninger, der er usynlige for andre bølgefrontsensorer, der i øjeblikket bruges i store observatorier, " han sagde.

Professor Olivier Guyon fra Subaru Telescope og University of Arizona er en af ​​verdens førende eksperter i adaptiv optik. Han sagde:"Dette er uden tvivl en meget innovativ tilgang og meget forskellig fra alle eksisterende metoder. Det kan potentielt løse flere store begrænsninger af den nuværende teknologi. Vi arbejder i øjeblikket i samarbejde med University of Sydney-teamet for at teste dette koncept hos Subaru i forbindelse med SCExAO, som er et af de mest avancerede adaptive optiksystemer i verden."

Application Beyond Astronomy

Forskerne har opnået dette bemærkelsesværdige resultat ved at bygge videre på en ny metode til at måle (og korrigere) bølgefronten af ​​lys, der passerer gennem atmosfærisk turbulens direkte ved brændplanet af et billeddannende instrument. Dette gøres ved hjælp af en avanceret lyskonverter, kendt som en fotonisk lanterne, knyttet til en neural netværksinferensproces.

"Dette er en radikalt anderledes tilgang til eksisterende metoder og løser flere store begrænsninger af nuværende tilgange, " sagde medforfatter Jin (Fiona) Wei, en postgraduate studerende ved Sydney Astrophotonic Instrumentation Laboratory.

Direktøren for Sydney Astrophotonic Instrumentation Laboratory i School of Physics ved University of Sydney, Lektor Sergio Leon-Saval, sagde:"Mens vi er kommet til dette problem for at løse et problem inden for astronomi, den foreslåede teknik er yderst relevant for en lang række områder. Det kunne anvendes i optisk kommunikation, fjernmåling, in vivo billeddannelse og ethvert andet felt, der involverer modtagelse eller transmission af nøjagtige bølgefronter gennem et turbulent eller grumset medium, såsom vand, blod eller luft."