太陽系外行星研究領(lǐng)域正在發(fā)生翻天覆地的變化。迄今為止，已在3,711個(gè)行星系統(tǒng)中確認(rèn)了4,940顆系外行星，另有8,709顆候選行星正在等待確認(rèn)。

有如此多的行星可供研究以及望遠(yuǎn)鏡靈敏度和數(shù)據(jù)分析的改進(jìn)，重點(diǎn)正在從發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)向表征。天體生物學(xué)家不會簡單地尋找更多的行星，而是會檢查“潛在可居住”的世界，尋找潛在的“生物特征”。

這是指與生命和生物過程相關(guān)的化學(xué)特征，其中最重要的特征之一是水。作為唯一已知的生命(我們所知道的)不存在的溶劑，水被認(rèn)為是尋找生命的占卜棒。在最近的一項(xiàng)研究中，天體物理學(xué)家DangPham和LisaKaltenegger解釋了未來的調(diào)查(結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí))如何辨別遙遠(yuǎn)系外行星上的水、雪和云的存在。

DangPham是多倫多大學(xué)DavidA.Dunlap天文學(xué)與天體物理學(xué)系的研究生，專攻行星動力學(xué)研究。LisaKaltenegger是康奈爾大學(xué)天文學(xué)副教授、卡爾薩根研究所所長，也是世界領(lǐng)先的潛在宜居世界建模和大氣特征專家。

藝術(shù)家對多行星系統(tǒng)的印象，其中三個(gè)正在過境。信用：國家航空航天局

水是地球上所有生命所依賴的東西，因此它對系外行星和天體生物學(xué)調(diào)查非常重要。正如LisaKaltenegger通過電子郵件告訴《今日宇宙》，這種重要性反映在NASA的口號——“隨水而動”——這也啟發(fā)了他們論文的標(biāo)題：

“行星表面的液態(tài)水是潛在生命的確鑿證據(jù)之一——我在這里說潛力是因?yàn)槲覀儾恢牢覀冞€需要什么才能開始生命。但液態(tài)水是一個(gè)很好的開始。所以我們用了NASA的口號“Justfollowthewater”問，我們?nèi)绾卧谝司訋У膸r石系外行星表面找到水?進(jìn)行光譜分析需要大量時(shí)間，因此我們正在尋找一種更快的方法來初步識別有希望的行星——那些上面有液態(tài)水的行星。”

目前，天文學(xué)家僅限于尋找萊曼-α線吸收，這表明系外行星大氣中存在氫氣。這是暴露在太陽紫外線輻射下的大氣水蒸氣的副產(chǎn)品，導(dǎo)致它化學(xué)分解成氫氣和分子氧(O2)——前者丟失到太空中，而后者被保留下來。

這種情況即將改變，這要?dú)w功于詹姆斯韋伯(JWST)、南希格雷斯羅曼(RST)和起源太空望遠(yuǎn)鏡等下一代望遠(yuǎn)鏡，以及可居住系外行星天文臺(HabEx)等下一代天文臺和大型紫外/光學(xué)/紅外測量儀(LUVOIR)。還有一些地面望遠(yuǎn)鏡將在未來幾年投入使用，如超大望遠(yuǎn)鏡(ELT)、巨型麥哲倫望遠(yuǎn)鏡(GMT)和三十米望遠(yuǎn)鏡(TMT)。

這位藝術(shù)家的印象展示了這顆行星繞著位于船帆座(風(fēng)帆)南部的類太陽恒星HD85512運(yùn)行。學(xué)分：ESO

由于它們的大型主鏡和先進(jìn)的光譜儀、計(jì)時(shí)儀、自適應(yīng)光學(xué)套件，這些儀器將能夠?qū)ο低庑行沁M(jìn)行直接成像研究。這包括研究直接從系外行星大氣或表面反射的光以獲得光譜，使天文學(xué)家能夠看到存在哪些化學(xué)元素。但正如他們在論文中指出的那樣，這是一個(gè)耗時(shí)的過程。

天文學(xué)家首先觀察數(shù)千顆恒星的亮度周期性下降，然后分析光曲線以尋找化學(xué)特征的跡象。目前，系外行星研究人員和天體生物學(xué)家依靠業(yè)余天文學(xué)家和機(jī)器算法來整理他們的望遠(yuǎn)鏡獲得的大量數(shù)據(jù)。展望未來，Pham和Kaltenegger展示了更先進(jìn)的機(jī)器學(xué)習(xí)將是多么重要。

正如他們所指出的，MI技術(shù)將使天文學(xué)家能夠更快地對系外行星進(jìn)行初步表征，從而使天文學(xué)家能夠優(yōu)先考慮目標(biāo)以進(jìn)行后續(xù)觀測。通過“跟隨水”，天文學(xué)家將能夠?qū)⒏嗟奶煳呐_寶貴的調(diào)查時(shí)間用于更有可能提供顯著回報(bào)的系外行星。

“下一代望遠(yuǎn)鏡將尋找行星大氣中的水蒸氣和行星表面的水，”Kaltenegger說。“當(dāng)然，要在行星表面找到水，你應(yīng)該尋找液態(tài)、固態(tài)和氣態(tài)的水，就像我們在論文中所做的那樣。”

系外行星HR8799e的藝術(shù)家插圖，它是使用ESO超大望遠(yuǎn)鏡干涉儀上的GRAVITY儀器直接成像的。學(xué)分：ESO/L?？査_達(dá)

“機(jī)器學(xué)習(xí)使我們能夠快速識別最佳濾波器，以及在各種信噪比下的準(zhǔn)確度權(quán)衡，”Pham補(bǔ)充道。“在第一個(gè)任務(wù)中，使用[開源算法]XGBoost，我們獲得了哪些過濾器對算法在檢測水、雪或云的任務(wù)中最有幫助的排名。在第二個(gè)任務(wù)中，我們可以觀察到算法在噪聲較少的情況下表現(xiàn)得有多好。有了這個(gè)，我們可以畫一條線，獲得更多的信號不會對應(yīng)更好的精度。”

為了確保他們的算法能夠勝任這項(xiàng)任務(wù)，Pham和Kaltenegger進(jìn)行了一些相當(dāng)大的校準(zhǔn)。這包括創(chuàng)建具有各種表面成分(包括雪、水和水云)的寒冷地球的53,130個(gè)光譜剖面。然后，他們根據(jù)大氣和表面反射率模擬了這種水的光譜，并指定了顏色配置文件。正如Pham解釋的那樣：

“大氣是使用Exo-Prime2建模的——Exo-Prime2在各種任務(wù)中通過與地球的比較得到了驗(yàn)證。USGS在地球上測量雪和水等表面的反射率。然后我們從這些光譜中創(chuàng)建顏色。我們在這些顏色上訓(xùn)練XGBoost以執(zhí)行三個(gè)獨(dú)立的目標(biāo)：檢測水的存在、云的存在和雪的存在。”

這個(gè)訓(xùn)練有素的XGBoost表明，云和雪比水更容易識別，這是可以預(yù)料的，因?yàn)樵坪脱┑姆凑章?陽光的更大反射率)比水高得多。他們進(jìn)一步確定了五種最適合該算法的最佳濾光片，所有濾光片的寬度均為0.2微米，并且在可見光范圍內(nèi)。最后一步是進(jìn)行模擬概率評估，以評估他們確定的五個(gè)最佳過濾器中關(guān)于液態(tài)水、雪和云的行星模型。

“最后，我們使用馬爾可夫鏈蒙特卡羅(MCMC)進(jìn)行了簡短的貝葉斯分析，對五個(gè)最佳過濾器執(zhí)行相同的任務(wù)，作為驗(yàn)證我們發(fā)現(xiàn)的非機(jī)器學(xué)習(xí)方法，”Pham說。“我們在那里的發(fā)現(xiàn)是相似的：水更難檢測，但通過光度法識別水、雪和云是可行的。”

同樣，他們驚訝地發(fā)現(xiàn)，訓(xùn)練有素的XGBoost能夠僅根據(jù)顏色識別巖石行星表面的水。根據(jù)Kaltenegger的說法，這就是過濾器的真正含義：一種將光分離到謹(jǐn)慎的“箱”中的方法。“想象一下所有紅光(“紅色”過濾器)的垃圾箱，然后是所有綠光的垃圾箱，從淺綠色到深綠色(“綠色”過濾器)，”她說。

他們提出的方法不是通過光度法識別系外行星大氣中的水，而是在系外行星表面識別水。此外，它不適用于凌日法(又稱凌日光度法)，這是目前最廣泛使用和最有效的系外行星探測方法。這種方法包括觀察遙遠(yuǎn)恒星的光度周期性下降，這歸因于系外行星相對于觀察者從恒星前面經(jīng)過(又名凌日)。

有時(shí)，天文學(xué)家可以在系外行星凌日時(shí)從其大氣層中獲取光譜——這一過程被稱為“凌日光譜”。當(dāng)太陽光相對于觀察者穿過系外行星的大氣層時(shí)，天文學(xué)家將用光譜儀對其進(jìn)行分析，以確定那里有哪些化學(xué)物質(zhì)。JWST將使用其靈敏的光學(xué)元件和光譜儀套件，依靠這種方法來表征系外行星的大氣。

但正如Pham和Kaltenegger所指出的，他們的算法只適用于系外行星直接成像的反射光?？紤]到通過直接成像研究獲得的光譜學(xué)可能會揭示更多關(guān)于系外行星的信息，而不僅僅是它們大氣的化學(xué)成分，這尤其是個(gè)好消息。根據(jù)Kaltenegger的說法，這為下一代任務(wù)創(chuàng)造了各種機(jī)會：

“這為像南希羅馬望遠(yuǎn)鏡這樣的小型太空任務(wù)提供了機(jī)會，以幫助識別可能存在生命的世界。對于即將推出的更大的望遠(yuǎn)鏡——正如十年調(diào)查所推薦的——它允許他們掃描宜居帶中的巖石行星以尋找最有希望的候選者——那些表面有水的行星，所以我們花時(shí)間描述最有趣的那些——和有效地在具有良好啟動條件的行星上尋找生命。”