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科学家称古板深造将是识别宜居系熟手星的最好编制之一

发布日期:2022-11-23 09:04    点击次数:129

科学家称古板深造将是识别宜居系熟手星的最好编制之一

这指的是与生命和生物过程相干的化学个性,个中最首要的一个是水。在迩来的一项研究中,天体物理学家Dang Pham和Lisa Kaltenegger说明白未来的考察(当与古板深造相联结时)怎么样兴许分辩出边远的系熟手星上是否存在水、雪和云。

Dang Pham是多伦多大学David A. Dunlap地理学和天体物理学系的一名研究生,他专门从事行星动力学研究。Lisa Kaltenegger是康奈尔大学地理学副教学,卡尔-萨根研究所甜头,也是对潜伏的宜居世界举行建模并形貌其大气层个性的世界领先专家。

水是地球上全体生命都附丽的对象,因而它对系熟手星和天体生物学考察异样首要。正如Lisa Kaltenegger经由过程电子邮件讲述《 Universe Today 》的那样,这类首要性回响反映在NASA的口号中--“只需跟着水走”--这也是他们论文标题成就的灵感所在。

“行星概况的液态水是潜伏生命的证据之一--我在这里说潜伏是因为我们不晓得还需求什么来启动生命。但液态水是一个很好的起头。因而,我们运用了NASA的口号‘只需跟着水走’,并问道:‘我们怎么样本事在宜居区的岩质系熟手星的概况找到水?’做光谱阐发是需求时光的,因而我们正在寻找一种更快的编制来开端肯定有停留的行星--那些上面有液态水的行星。”

如今,地理学家只限于寻找莱曼-阿尔法线的汲取,这评释系熟手星的大气层中存在氢气。这是大气层中的水蒸气表露在太阳紫内线辐射下的副产品,导致它在化学上合成为氢和分子氧--前者消失到太空,此后者被保管上去。

这类环境即将改变,这要归功于詹姆斯·韦伯太空望远镜和南希·格雷斯·罗曼太空望远镜这样的下一代望远镜,以及滥觞太空望远镜、宜居系熟手星观察站(HabEx)和大型紫外/光学/红外测量仪(LUVOIR)这样的下一代观察站。另有一些低空望远镜,如极大望远镜(ELT)、巨型麦哲伦望远镜(GMT)和三十米望远镜(TMT)。

因为它们的大型主镜和行进先辈的光谱仪、计时仪、自适应光学拆卸套件,这些仪器将兴许对系熟手星举行间接成像研究。这蕴含研究从一个系熟手星的大气层或概况间接反射的光线,以获取光谱,使地理学家兴许看到存在哪些化学元素。但正如他们在论文中指出的,这是一个时光鳞集的过程。

地理学家首先窥察数以千计的恒星,窥察其亮度的周期性下落,而后阐发光曲线,寻找化学个性的迹象。如今,系熟手星研究人员和天体生物学家附丽专业地理学家和古板算法来收拾他们的望远镜获取的大量数据。预测未来,Pham和Kaltenegger展现了更行进先辈的古板深造将是多么关键。

正如他们所指出的,ML技能将使地理学家兴许更麻利地举行系熟手星的开端个性阐发,使地理学家兴许优先推敲后续观察的目的。经由过程“跟着水走”,地理学家将兴许把地理台宝贵的考察时光更多地用于更有兴许供应严厚酬报的系熟手星。

Kaltenegger说:“下一代望远镜将寻找行星大气中的水蒸气和行星概况的水。固然,为了外行星概况找到水,你该当寻找(水的)液态、固态和气态模式,正如我们在论文中所做的那样。”

“古板深造使我们兴许倏地肯定最好于滤器,以及在种种信噪比下的正确性掂量,”Pham增补说。“在第一个使命中,运用(开源算法)XGBoost,我们失去了一个排名,哪些过滤器对算法检测水、雪或云的使命最有协助。在第二项使命中,产品优势我们可以或许窥察到,在噪声较小的环境下,算法的表现要好很多。有了这一点,我们可以或许画出一条线,在这条线上,获取更多的旗子灯号将不会对应于更好的正确性。”

为了确保他们的算法兴许实现使命,Pham和Kaltenegger做了一些大量的校准事变。这蕴含创立53130个具有差别概况身分的凛凛地球的光谱图,蕴含雪、水和水云。而后,他们在大气和概况反射率方面仿照了这些水的光谱,并指定了颜色外观。

正如Pham所说明的:“大气层是用Exo-Prime2-Exo-Prime2建模的,经由过程在种种使命中与地球的相比失去了验证。雪和水等概况的反射率是由美国地质考察局在地球上测量的。而后我们从这些光谱中创立颜色。我们在这些颜色演出习XGBoost,以执行三个独立的目的:检测水的存在、云的存在和雪的存在。”

这个颠末演习的XGBoost表现,云和雪比水更苟且识别,这是预期的,因为云和雪的反照率(对阳光的反射率更大)比水高很多。他们进一步肯定了五种对该算法异样有用的最好于滤器,全体这些过滤器都是0.2微米宽的,并且在可见光规模内。最后一步是举行仿照概率评估,从他们肯定的五个最好于滤器的鸠合中评估他们对付液态水、雪和云的行星模型。

“最后,我们(举行)了一个烦复的贝叶斯阐发,运用马尔科夫链蒙特卡洛(MCMC)对五个最好于滤器做一样的使命,作为一种非古板深造编制来验证我们的缔造,”Pham说。“我们在那里的缔造是近似的:水更难检测,但经由过程光度测量识别水、雪和云是可行的。”

一样,他们惊异地看到演习有素的XGBoost仅痛处颜色便可以或许识别岩质行星概况的水。痛处Kaltenegger的说法,这就是过滤器的真正含义:一种将光别离成严谨的"仓"的伎俩。“她说:"设想一下,一个用于全体红光的仓(‘白色’过滤器),而后一个用于全体绿光的仓,从浅绿到深绿(‘绿色’过滤器)。”

他们提出的编制着实不克不迭识别系熟手星大气中的水,而是经由过程光度测量在系熟手星的概况上识别。其他,它不会与凌日法一起运用,后者是如今最普及运用和有用的系熟手星探测伎俩。这类编制蕴含窥察远处的恒星,以寻找归因于系熟手星相对付窥察者在恒星前面颠末(又称凌日)的周期性亮度下落。

偶尔,地理学家可以或许从一个系熟手星的大气层中获取光谱,因为它正在凌日--这个过程被称为"凌日光谱学"。当太阳光穿过系熟手星相对付观察者的大气层时,地理学家将用光谱仪对其举行阐发,以肯定那里有哪些化学物质。行使其敏感的光学体系和光谱仪套件,詹姆斯·韦伯太空望远镜将附丽这类编制来形貌系熟手星大气的个性。