近(jìn)期,由中国科学院上海天文台的葛健(jiàn)教授领导(dǎo)的一个国(guó)际科(kē)研团队,在(zài)运用人工智能技术分析开普勒太空(kōng)望(wàng)远镜(jìng)于2017年(nián)发布的(de)恒星光度(dù)数据中,取(qǔ)得(dé)了突破性成果,他(tā)们发(fā)现(xiàn)了5颗前所未有的超短周期行星。这些(xiē)行(háng)星(xīng)的(de)直(zhí)径均(jun1)小于(yú)地球,且围绕其主星旋转的(de)周期不足一天,其中4颗(kē)与火星大(dà)小相(xiàng)仿,是迄(qì)今为止探(tàn)测到的(de)距离主星最近的(de)微(wēi)型行星。这一发现标志着天文学家首次利用人工智能(néng)技术,在同一(yī)过程中既搜寻到疑似信号又成(chéng)功识别出(chū)真实信号,相关(guān)研究成果已(yǐ)在《皇家(jiā)天文学会月报》(MNRAS)这一国(guó)际天文学(xué)权威期刊上发表。
艺术(shù)构想图示展示了这些(xiē)新发现的、类似火星大小的超短(duǎn)周期系外行星(xīng)。由于它们与主(zhǔ)星的距离极近,这些行星的(de)表面温度(dù)极高(gāo),同时受到(dào)强烈的潮(cháo)汐(xī)力(lì)作用,导致其内部结(jié)构和(hé)表面形态受到挤压,可能引发频(pín)繁的火山活动。(绘图:石(shí)琰)
超短周期(qī)系外行星的概念自2011年起(qǐ),便随着开普勒太(tài)空望远镜的光度数(shù)据而(ér)进入科学(xué)视野,为行星形成理论带(dài)来了新的视角和挑战,促使(shǐ)科学界重新评估并完善了现(xiàn)有的行星(xīng)系统形成与演(yǎn)化模型。
葛健教授指出,超(chāo)短周期(qī)行星的发现对于研究行星系统的(de)早期(qī)发展阶段(duàn)、行(háng)星间(jiān)的(de)相互作(zuò)用以(yǐ)及恒星与行星间的动态关(guān)系(包括潮汐力和大气侵蚀效应)具(jù)有重要意义(yì)。这类行星可能并非在其(qí)当前位置形成,而是经历了从更远轨道(dào)向内的迁移。考虑到(dào)这(zhè)些行星的主星在其早期形(xíng)成阶段体积远大于现在,那些原本就靠近恒星(xīng)的超短周期行星若(ruò)在那个时期(qī)就已存在(zài),很可能已被主星吞噬。此外,鉴于(yú)超短(duǎn)周(zhōu)期行星(xīng)往往伴随着轨道(dào)周(zhōu)期(qī)较长(zhǎng)的外部行星被发现,科学家推测(cè),超短周期行星的起源可能(néng)与行星间的(de)相(xiàng)互作用有关(guān),这(zhè)些相互作用将(jiāng)超短周(zhōu)期行星重新安置到了(le)它们(men)现在紧(jǐn)邻主星的轨道上,这些轨道在恒星形(xíng)成初期可能原本由恒星自身占据(jù)。另(lìng)外,这种轨道迁(qiān)移也(yě)可能(néng)是由(yóu)原行(háng)星盘的相(xiàng)互作用或与主星的潮汐相(xiàng)互(hù)作用所驱动的。
然而,超短周期行星在类似太阳的(de)恒星周围相对(duì)罕见,发(fā)生率仅为约(yuē)0.5%,通常其半径小于地(dì)球的两(liǎng)倍,或是(shì)在(zài)极端情况下,如超热木星(xīng),其半径可超过地球的十倍。迄今为止,人类总共仅探(tàn)测到145颗(kē)超短周期行星(xīng),其(qí)中仅30颗的半径小于地球。葛(gě)健表示:“由于样本量有限,我(wǒ)们对超短周期行星的了解仍(réng)然非常有限,难(nán)以(yǐ)准确掌(zhǎng)握(wò)它们的统计特(tè)征和出现(xiàn)率。”
这项新研究(jiū)为探索超短(duǎn)周(zhōu)期行星提供了创新的(de)途径——研(yán)究团队开发了一种(zhǒng)结(jié)合(hé)图形处理器(GPU)相位折叠技术和卷积神经网络的深(shēn)度学习算法。普林斯(sī)顿(dùn)大学的天体物理学家乔西·温教授对此(cǐ)评论道:“超短(duǎn)周(zhōu)期行星,或称(chēng)‘熔岩世界(jiè)’,因其极端(duān)且出(chū)人意料的特性,为我们揭(jiē)示了行星轨道随时间变(biàn)化的线索。我曾以为开普(pǔ)勒数据中的凌星信号已被充分挖掘,不会再有新行星被发现(xiàn)。但(dàn)这项新技术的应用成(chéng)就令(lìng)我(wǒ)深(shēn)感震撼。”
葛(gě)健透露,这(zhè)项工作的实际启动可追溯至2015年(nián)。当时,在(zài)佛罗(luó)里达大学计算机系李晓林(lín)教授的(de)启发下,他们开始尝(cháng)试将人工(gōng)智能(néng)的深度(dù)学习技(jì)术应用于开普勒发布的光度数据,以(yǐ)期发现传统方(fāng)法遗漏的微弱凌星信号。经过(guò)近十(shí)年的不懈努力,他们终于迎来了首次重大发现。“要(yào)在海量的天(tiān)文(wén)数据(jù)中利(lì)用人(rén)工智能挖掘出极为罕见的新(xīn)天体,不仅(jǐn)需要创新的人工智能算法,还需要基于新(xīn)发现现象(xiàng)的物理特征(zhēng)构建的大(dà)量人工数据集进行训练,以确保能够快速、准确且(qiě)全(quán)面地(dì)探(tàn)测到这些(xiē)在传统方(fāng)法下难以捕捉的微弱信号。”葛(gě)健强(qiáng)调。