AI, ötegezegenler için aramanın altında yatan şüpheli olmayan matematiği ortaya koyuyor

Gerçek astronomik gözlemler üzerine eğitilmiş yapay zeka (AI) algoritmaları, artık yeni patlayan yıldızları bulmak, yeni galaksi türlerini belirlemek ve büyük kütleli yıldızların birleşmelerini tespit etmek için devasa miktarda veriyi eleme konusunda gökbilimcilerden daha iyi performans göstererek dünyanın en eski gezegenindeki yeni keşif oranını hızlandırıyor. bilim.

Ancak, makine öğrenimi olarak da adlandırılan AI, daha derin bir şeyi ortaya çıkarabilir, California Üniversitesi, Berkeley, gökbilimcilerin bulduğuna göre: Genel görelilikten kaynaklanan karmaşık matematikte gizlenmiş beklenmedik bağlantılar – özellikle, bu teorinin diğer yıldızların etrafında yeni gezegenler bulmak için nasıl uygulandığı.

Bu hafta dergide çıkan bir makalede Doğa Astronomiaraştırmacılar, bu tür gezegen sistemleri bir arka plan yıldızının önünden geçtiğinde ve onu kısaca aydınlattığında, ötegezegenleri daha hızlı tespit etmek için bir AI algoritmasının nasıl geliştirildiğini açıklıyor – yerçekimi mikro mercekleme adı verilen bir süreç – bu gözlemleri açıklamak için kullanılan onlarca yıllık teorilerin şimdi ne yazık ki eksik.

1936’da Albert Einstein, uzak bir yıldızdan gelen ışığın ön plandaki bir yıldızın yerçekimi tarafından nasıl bükülebileceğini göstermek için yeni genel görelilik teorisini kullandı. ışık ya da onu bir halka şeklinde çarpıtarak, şimdi bir Einstein halkası olarak adlandırılıyor. Bu, bir el merceğinin güneşten gelen ışığı odaklayıp yoğunlaştırmasına benzer.

Ancak ön plandaki nesne gezegeni olan bir yıldız olduğunda, zaman içindeki parlaklık – ışık eğrisi – daha karmaşıktır. Dahası, belirli bir ışık eğrisini eşit derecede iyi açıklayabilen, genellikle dejenerasyon olarak adlandırılan birden fazla gezegen yörüngesi vardır. İnsanların matematiği basitleştirdiği ve büyük resmi kaçırdığı yer burasıdır.

Bununla birlikte, AI algoritması, teleskopların mikromercekleme sırasında algıladıklarının yorumlanmasında iki ana yozlaşma türünü birleştirmenin matematiksel bir yolunu işaret etti ve iki “teori”nin, araştırmacıların kabul ettiği daha geniş bir teorinin gerçekten özel durumları olduğunu gösterdi. .

Joshua Bloom, geçen yıl makaleyi yüklediğinde bir blog yazısında, “Daha önce geliştirdiğimiz bir makine öğrenimi çıkarım algoritması, iki büyük cisim tarafından ışık bükülmesinin genel göreli etkisini yöneten denklemler hakkında yeni ve temel bir şey keşfetmemizi sağladı,” diye yazdı. bir ön baskı sunucusuna, arXiv. Bloom, UC Berkeley’de astronomi profesörü ve bölüm başkanıdır.

UC Berkeley lisansüstü öğrencisi Keming Zhang’ın keşfini, Google’ın yapay zeka ekibi DeepMind’in, yakın zamanda yapılmış matematiğin iki farklı alanı arasında. Birlikte ele alındığında, bu örnekler AI sistemlerinin insanların gözden kaçırdığı temel ilişkileri ortaya çıkarabileceğini göstermektedir.

“Onların ilk – ilk değilse de – seferlerden birini oluşturduğunu iddia ediyorum.[s] Yapay zekanın matematik ve astronomide doğrudan yeni teorik anlayış sağlamak için kullanıldığını,” dedi Bloom. “Steve Jobs’un bilgisayarların zihnin bisikletleri olabileceğini öne sürdüğü gibi, biz de entelektüel bir roket gemisi olarak hizmet edecek bir AI çerçevesi arıyorduk. bilim adamları için.”

Ohio Eyalet Üniversitesi’nde astronomi profesörü ve ötegezegenleri keşfetmek için yerçekimi mikro merceklemeyi kullanmanın öncülerinden biri olan ortak yazar Scott Gaudi, “Bu, yapay zeka ve makine öğreniminde bir tür kilometre taşı” dedi. “Keming’in makine öğrenimi algoritması, onlarca yıldır verilerle uğraşan bu alandaki uzmanların gözden kaçırdığı bu yozlaşmayı ortaya çıkardı. Bu, gerçekten heyecan verici olan makine öğrenimi tarafından desteklendiğinde araştırmanın gelecekte nasıl ilerleyeceğini gösteriyor.”

Mikro mercekleme ile ötegezegenleri keşfetmek

Samanyolu’ndaki yıldızların çevresinde 5.000’den fazla ötegezegen veya güneş dışı gezegen keşfedildi, ancak çok azı teleskopla görülebildi – bunlar çok loş. Çoğu, ev sahibi yıldızların hareketlerinde bir Doppler yalpalaması oluşturdukları veya NASA’nın Kepler misyonunun odak noktası olan geçişler, önünden geçtiklerinde ev sahibi yıldızın ışığını hafifçe azalttıkları için tespit edildi. Üçüncü bir teknik olan mikro mercekleme ile 100’den sadece birkaç tanesi keşfedildi.

NASA’nın 2027 yılına kadar fırlatılması planlanan Nancy Grace Roman Uzay Teleskobu’nun ana hedeflerinden biri, mikro mercekleme yoluyla binlerce ötegezegen keşfetmek. Bu tekniğin, Güneş sistemimizdeki Jüpiter veya Satürn’ünkine eşdeğer bir mesafede, yıldızlarından uzak, Dünya boyutundakiler de dahil olmak üzere daha düşük kütleli gezegenleri tespit edebilmesi bakımından Doppler ve transit tekniklerine göre bir avantajı vardır.

Bloom, Zhang ve meslektaşları iki yıl önce, bu gezegen sistemlerinin yıldız ve gezegen kütlelerini ve gezegenlerin yıldızlarından yörüngede döndükleri mesafeleri belirlemek için mikro mercekleme verilerini daha hızlı analiz edecek bir AI algoritması geliştirmek üzere yola çıktılar. Böyle bir algoritma, ötegezegen sistemlerinin neden olduğu %1 veya daha azını bulmak için Roma teleskobunun tespit edeceği muhtemel yüz binlerce olayın analizini hızlandıracaktır.

Ancak gökbilimcilerin karşılaştığı bir sorun, gözlemlenen sinyalin belirsiz olabilmesidir. Ön plandaki yalnız bir yıldız, arka plandaki bir yıldızın önünden geçtiğinde, arka plandaki yıldızların parlaklığı düzgün bir şekilde zirveye yükselir ve ardından simetrik olarak orijinal parlaklığına düşer. Matematiksel ve gözlemsel olarak anlamak kolaydır.

Ancak ön plandaki yıldızın bir gezegeni varsa, gezegen, yıldızın neden olduğu zirve içinde ayrı bir parlaklık zirvesi oluşturur. Sinyali üreten ötegezegenin yörünge konfigürasyonunu yeniden oluşturmaya çalışırken, genel görelilik genellikle, tümü gözlemleri açıklayabilen iki veya daha fazla dejenere çözüme izin verir.

Gaudi, bugüne kadar gökbilimcilerin genellikle bu yozlaşmalarla basit ve yapay olarak farklı şekillerde ilgilendiklerini söyledi. Uzak yıldız ışığı yıldızın yakınından geçerse, gözlemler gezegen için geniş veya yakın bir yörünge olarak yorumlanabilir; bu belirsizliği gökbilimciler genellikle diğer verilerle çözebilir. İkinci tür bir yozlaşma, arka plandaki yıldız ışığı gezegenin yakınından geçtiğinde meydana gelir. Ancak bu durumda, gezegen yörüngesi için iki farklı çözüm genellikle sadece biraz farklıdır.

Gaudi’ye göre, iki cisimli kütleçekimsel mikro merceklemenin bu iki basitleştirmesi, gerçek kütleleri ve yörünge mesafelerini belirlemek için genellikle yeterlidir. Aslında, bir geçen yıl yayınlanan makale, Zhang, Bloom, Gaudi ve diğer iki UC Berkeley ortak yazarı, astronomi profesörü Jessica Lu ve yüksek lisans öğrencisi Casey Lam, bu yorumların bilgisine hiç dayanmayan yeni bir AI algoritmasını açıkladılar. Algoritma, mikro mercekleme gözlemlerinin analizini büyük ölçüde hızlandırır, sonuçları günler yerine milisaniyeler içinde verir ve bilgisayar kırılmasını önemli ölçüde azaltır.

Zhang daha sonra yeni AI algoritmasını yüzlerce olası yıldız ve ötegezege yörüngesel konfigürasyonlarından mikro mercekleme ışık eğrileri üzerinde test etti ve olağandışı bir şey fark etti: İki yorumun hesaba katmadığı başka belirsizlikler vardı. Mikro merceklemenin yaygın olarak kullanılan yorumlarının, aslında, mikro mercekleme olaylarındaki tüm belirsizlikleri açıklayan daha geniş bir teorinin özel durumları olduğu sonucuna vardı.

Zhang, “Önceki iki yozlaşma teorisi, arka plan yıldızının ön plandaki yıldıza veya ön plandaki gezegene yakın geçiyor gibi göründüğü durumlarla ilgilidir.” Dedi. “AI algoritması bize sadece bu iki durumdan değil, aynı zamanda yıldızın ne yıldıza ne de gezegene yakın geçmediği ve önceki teorilerle açıklanamadığı durumlardan yüzlerce örnek gösterdi. Bu, yenisini önermemizin anahtarıydı. birleştirici teori.”

Gaudi başta şüpheciydi, ancak Zhang önceki iki teorinin gözlemlere uymadığı ve yeni teorinin uyduğu birçok örnek ürettikten sonra ortaya çıktı. Zhang aslında mikro mercekleme yoluyla ötegezegenlerin keşfini bildiren önceki iki düzine makaleden alınan verilere baktı ve her durumda yeni teorinin verilere önceki teorilerden daha iyi uyduğunu buldu.

Gaudi, “İnsanlar aslında bu yeni yozlaşmayı sergileyen bu mikro mercekleme olaylarını görüyorlardı, ancak bunu fark etmediler” dedi. “Gerçekten, kaçırmanın imkansız hale geldiği binlerce olaya bakan makine öğrenimiydi.”

Zhang ve Gaudi bir yeni kağıt Bu, genel göreliliğe dayanan yeni matematiği titizlikle tanımlayan ve teoriyi, birden fazla ötegezegenin bir yıldızın yörüngesinde döndüğü mikro mercekleme durumlarında araştırıyor.

Yeni teori, gözlemleri tanımlamak için daha dejenere çözümler olduğundan, mikromercekleme gözlemlerinin yorumlanmasını teknik olarak daha belirsiz hale getiriyor. Ancak teori aynı zamanda, aynı mikro merceklenme olayını örneğin Dünya’dan ve Roma Uzay Teleskobu’nun yörüngesinden olmak üzere iki perspektiften gözlemlemenin, doğru yörüngeler ve kütleler üzerine yerleşmeyi kolaylaştıracağını da açıkça göstermektedir. Gaudi, gökbilimcilerin şu anda yapmayı planladıkları şeyin bu olduğunu söyledi.

Bloom, “AI, lens denklemine yeni bir ışıkta bakmanın ve matematiği hakkında gerçekten derin bir şeyi ortaya çıkarmanın bir yolunu önerdi” dedi. “AI, sadece araç kutumuzda bulunan bu tür kör bir araç olarak değil, aslında oldukça akıllı bir şey olarak ortaya çıkıyor. Keming gibi bir uzmanın yanı sıra, ikisi oldukça temel bir şey yapabildiler.”