KI enthüllt unerwartete Mathematik, die der Suche nach Exoplaneten zugrunde liegt

Algorithmen der künstlichen Intelligenz (KI), die auf realen astronomischen Beobachtungen trainiert wurden, übertreffen jetzt Astronomen beim Durchsuchen riesiger Datenmengen, um neue explodierende Sterne zu finden, neue Arten von Galaxien zu identifizieren und die Verschmelzung massereicher Sterne zu erkennen, wodurch die Rate neuer Entdeckungen in der ältesten der Welt beschleunigt wird Wissenschaft.

Aber KI, auch maschinelles Lernen genannt, kann etwas Tieferes enthüllen, fanden Astronomen der University of California, Berkeley: Unvermutete Verbindungen, die in der komplexen Mathematik verborgen sind, die sich aus der allgemeinen Relativitätstheorie ergibt – insbesondere, wie diese Theorie angewendet wird, um neue Planeten um andere Sterne zu finden.

In einem Artikel, der diese Woche in der Zeitschrift erscheint Naturastronomiebeschreiben die Forscher, wie ein KI-Algorithmus entwickelt wurde, um Exoplaneten schneller zu erkennen, wenn solche Planetensysteme vor einem Hintergrundstern vorbeiziehen und ihn kurz aufhellen – ein Prozess, der als Gravitations-Mikrolinsen bezeichnet wird –, der enthüllte, dass die jahrzehntealten Theorien, die jetzt zur Erklärung dieser Beobachtungen verwendet werden, sind leider unvollständig.

1936 verwendete Albert Einstein selbst seine neue Allgemeine Relativitätstheorie, um zu zeigen, wie das Licht eines entfernten Sterns durch die Schwerkraft eines Vordergrundsterns gebogen werden kann, wodurch es nicht nur von der Erde aus gesehen aufgehellt, sondern oft in mehrere Punkte aufgeteilt wird Licht oder es zu einem Ring verzerren, der jetzt Einstein-Ring genannt wird. Dies ähnelt der Art und Weise, wie eine Handlinse das Licht der Sonne fokussieren und intensivieren kann.

Aber wenn das Vordergrundobjekt ein Stern mit einem Planeten ist, ist die Aufhellung über die Zeit – die Lichtkurve – komplizierter. Hinzu kommt, dass es oft mehrere Planetenbahnen gibt, die eine gegebene Lichtkurve gleich gut erklären können – sogenannte Entartungen. Das ist, wo Menschen die Mathematik vereinfacht und das Gesamtbild verpasst haben.

Der KI-Algorithmus wies jedoch auf einen mathematischen Weg hin, um die beiden Hauptarten der Entartung bei der Interpretation dessen zu vereinen, was Teleskope während der Mikrolinsenerkennung erkennen, und zeigte, dass die beiden „Theorien“ wirklich Sonderfälle einer umfassenderen Theorie sind, von der die Forscher zugeben, dass sie wahrscheinlich noch unvollständig ist .

„Ein zuvor von uns entwickelter Inferenzalgorithmus für maschinelles Lernen führte uns dazu, etwas Neues und Grundlegendes über die Gleichungen zu entdecken, die den allgemeinen relativistischen Effekt der Lichtbeugung durch zwei massive Körper regeln“, schrieb Joshua Bloom letztes Jahr in einem Blogbeitrag, als er das Papier hochlud an einen Preprint-Server, arXiv. Bloom ist Professor für Astronomie an der UC Berkeley und Vorsitzender der Abteilung.

Er verglich die Entdeckung des Doktoranden Keming Zhang von der UC Berkeley mit Verbindungen, die das KI-Team von Google, DeepMind, kürzlich gemacht zwischen zwei verschiedenen Bereichen der Mathematik. Zusammengenommen zeigen diese Beispiele, dass KI-Systeme grundlegende Assoziationen aufdecken können, die Menschen übersehen.

„Ich behaupte, dass sie eines der ersten – wenn nicht das erste – Mal darstellen[s] dass KI verwendet wurde, um direkt neue theoretische Einsichten in Mathematik und Astronomie zu gewinnen“, sagte Bloom. „So wie Steve Jobs vorschlug, dass Computer die Fahrräder des Geistes sein könnten, haben wir nach einem KI-Framework gesucht, das als intellektuelles Raketenschiff dienen könnte für Wissenschaftler.“

„Dies ist eine Art Meilenstein in der KI und im maschinellen Lernen“, betont Co-Autor Scott Gaudi, Professor für Astronomie an der Ohio State University und einer der Pioniere bei der Verwendung von Gravitationsmikrolinsen zur Entdeckung von Exoplaneten. „Der maschinelle Lernalgorithmus von Keming hat diese Entartung aufgedeckt, die von Experten auf diesem Gebiet, die sich jahrzehntelang mit Daten abmühten, übersehen wurde. Dies deutet darauf hin, wie die Forschung in Zukunft verlaufen wird, wenn sie durch maschinelles Lernen unterstützt wird, was wirklich aufregend ist.“

Exoplaneten entdecken mit Mikrolinsen

Mehr als 5.000 Exoplaneten oder extrasolare Planeten wurden um Sterne in der Milchstraße herum entdeckt, obwohl nur wenige tatsächlich durch ein Teleskop gesehen wurden – sie sind zu dunkel. Die meisten wurden entdeckt, weil sie ein Doppler-Wackeln in den Bewegungen ihrer Wirtssterne erzeugen oder weil sie das Licht des Wirtssterns leicht dämpfen, wenn sie davor kreuzen – Transite, die im Mittelpunkt der Kepler-Mission der NASA standen. Nur wenige mehr als 100 wurden durch eine dritte Technik, Mikrolinsen, entdeckt.

Eines der Hauptziele des römischen Weltraumteleskops Nancy Grace der NASA, das bis 2027 starten soll, ist die Entdeckung Tausender weiterer Exoplaneten durch Mikrolinsen. Die Technik hat gegenüber der Doppler- und der Transittechnik den Vorteil, dass sie masseärmere Planeten, einschließlich erdgroßer, die weit von ihren Sternen entfernt sind, in einer Entfernung erkennen kann, die der von Jupiter oder Saturn in unserem Sonnensystem entspricht.

Bloom, Zhang und ihre Kollegen machten sich vor zwei Jahren daran, einen KI-Algorithmus zu entwickeln, um Mikrolinsendaten schneller zu analysieren, um die Stern- und Planetenmassen dieser Planetensysteme und die Entfernungen zu bestimmen, die die Planeten von ihren Sternen umkreisen. Ein solcher Algorithmus würde die Analyse der wahrscheinlich Hunderttausenden von Ereignissen beschleunigen, die das römische Teleskop erkennen wird, um die 1 % oder weniger zu finden, die von exoplanetaren Systemen verursacht werden.

Ein Problem, auf das Astronomen stoßen, ist jedoch, dass das beobachtete Signal mehrdeutig sein kann. Wenn ein einsamer Vordergrundstern vor einem Hintergrundstern vorbeizieht, steigt die Helligkeit der Hintergrundsterne gleichmäßig auf einen Spitzenwert an und fällt dann symmetrisch auf ihre ursprüngliche Helligkeit ab. Es ist einfach, mathematisch und beobachtend zu verstehen.

Wenn der Vordergrundstern jedoch einen Planeten hat, erzeugt der Planet eine separate Helligkeitsspitze innerhalb der durch den Stern verursachten Spitze. Beim Versuch, die Bahnkonfiguration des Exoplaneten zu rekonstruieren, der das Signal erzeugt hat, erlaubt die allgemeine Relativitätstheorie oft zwei oder mehr sogenannte entartete Lösungen, die alle die Beobachtungen erklären können.

Bis heute sind Astronomen mit diesen Entartungen im Allgemeinen auf vereinfachte und künstlich unterschiedliche Weise umgegangen, sagte Gaudi. Wenn das ferne Sternenlicht nahe am Stern vorbeizieht, könnten die Beobachtungen entweder als eine weite oder eine enge Umlaufbahn des Planeten interpretiert werden – eine Mehrdeutigkeit, die Astronomen oft mit anderen Daten lösen können. Eine zweite Art der Entartung tritt auf, wenn das Sternenlicht im Hintergrund nahe am Planeten vorbeizieht. In diesem Fall unterscheiden sich die beiden unterschiedlichen Lösungen für die Planetenbahn jedoch im Allgemeinen nur geringfügig.

Laut Gaudi reichen diese beiden Vereinfachungen der Zwei-Körper-Gravitations-Mikrolinsen normalerweise aus, um die wahren Massen und Bahnabstände zu bestimmen. Tatsächlich in einem letztes Jahr erschienenes Papier, Zhang, Bloom, Gaudi und zwei weitere Co-Autoren der UC Berkeley, die Astronomieprofessorin Jessica Lu und die Doktorandin Casey Lam, beschrieben einen neuen KI-Algorithmus, der sich überhaupt nicht auf die Kenntnis dieser Interpretationen stützt. Der Algorithmus beschleunigt die Analyse von Mikrolinsen-Beobachtungen erheblich, liefert Ergebnisse in Millisekunden statt in Tagen und reduziert die Computerknirschen drastisch.

Zhang testete dann den neuen KI-Algorithmus an Mikrolinsen-Lichtkurven von Hunderten möglicher Orbitalkonfigurationen von Stern und Exoplanet und bemerkte etwas Ungewöhnliches: Es gab andere Mehrdeutigkeiten, die die beiden Interpretationen nicht berücksichtigten. Er kam zu dem Schluss, dass die häufig verwendeten Interpretationen von Mikrolinsen tatsächlich nur Sonderfälle einer umfassenderen Theorie seien, die die ganze Vielfalt von Mehrdeutigkeiten bei Mikrolinsenereignissen erklärt.

„Die beiden vorherigen Entartungstheorien befassen sich mit Fällen, in denen der Hintergrundstern nahe an dem Vordergrundstern oder dem Vordergrundplaneten vorbeizieht“, sagte Zhang. „Der KI-Algorithmus zeigte uns Hunderte von Beispielen nicht nur aus diesen beiden Fällen, sondern auch Situationen, in denen der Stern weder am Stern noch am Planeten vorbeizieht und durch keine der vorherigen Theorien erklärt werden kann. Das war der Schlüssel für uns, die neue vorzuschlagen vereinheitlichende Theorie.“

Gaudi war zunächst skeptisch, kam aber um, nachdem Zhang viele Beispiele vorgebracht hatte, bei denen die beiden vorherigen Theorien nicht zu den Beobachtungen passten und die neue Theorie dies tat. Zhang hat sich tatsächlich die Daten aus zwei Dutzend früheren Arbeiten angesehen, in denen über die Entdeckung von Exoplaneten durch Mikrolinsen berichtet wurde, und festgestellt, dass die neue Theorie in allen Fällen besser zu den Daten passt als die vorherigen Theorien.

„Die Leute sahen diese Mikrolinsen-Ereignisse, die tatsächlich diese neue Entartung zeigten, aber es einfach nicht bemerkten“, sagte Gaudi. „Es war wirklich nur das maschinelle Lernen, das Tausende von Ereignissen betrachtete, bei denen es unmöglich wurde, sie zu übersehen.“

Zhang und Gaudi haben a eingereicht neues Papier das die neue Mathematik auf der Grundlage der allgemeinen Relativitätstheorie rigoros beschreibt und die Theorie in Mikrolinsensituationen untersucht, in denen mehr als ein Exoplanet einen Stern umkreist.

Die neue Theorie macht die Interpretation von Mikrolinsen-Beobachtungen technisch mehrdeutig, da es degeneriertere Lösungen zur Beschreibung der Beobachtungen gibt. Aber die Theorie zeigt auch deutlich, dass die Beobachtung desselben Mikrolinsenereignisses aus zwei Perspektiven – beispielsweise von der Erde und aus der Umlaufbahn des römischen Weltraumteleskops – es einfacher macht, sich auf die richtigen Umlaufbahnen und Massen festzulegen. Das ist es, was Astronomen derzeit planen, sagte Gaudi.

„Die KI hat einen Weg vorgeschlagen, die Linsengleichung in einem neuen Licht zu betrachten und etwas wirklich Tiefes in ihrer Mathematik aufzudecken“, sagte Bloom. „KI entwickelt sich nicht mehr nur zu diesem stumpfen Werkzeug, das sich in unserer Werkzeugkiste befindet, sondern zu etwas, das eigentlich ziemlich clever ist. Zusammen mit einem Experten wie Keming konnten die beiden etwas ziemlich Grundlegendes tun.“