У восьмой известной планеты звезды Kepler-90 год длится около 14,4 земных суток. В декабре 2017 года NASA сообщило о её обнаружении. Для этого открытия не потребовалось навести на звезду новый телескоп. Свет давно попал на прибор, измерения уже лежали в архиве. Изменился порядок, в котором исследователи стали задавать этому архиву вопросы. Именно в промежутке между старой записью и новым вопросом нашлось дело для нейросети.
На иллюстрации к такому сообщению естественно ожидать шар на фоне светила. У исследователей была куда менее эффектная исходная картинка. Космический телескоп «Кеплер» измерял яркость звезды с течением времени. Когда планета проходит между звездой и наблюдателем, она закрывает часть светящегося диска. На графике может появиться неглубокая впадина. Спустя один оборот планеты она возникнет снова, если инструмент в этот момент вёл наблюдения. На вопрос о форме орбиты, температуре поверхности или цвете неба такая впадина сама по себе ответа не даёт.
Зачем складывать разные дни
Представим расписание с пока неизвестным интервалом. Если интервал выбран верно, отдельные прохождения можно наложить одно на другое, совместив одинаковые моменты предполагаемого оборота. Слабое потемнение тогда будет раз за разом приходиться примерно на одно место. Случайное колебание, возникшее в другое время, поддерживать его всякий раз не обязано. Так из длинного ряда измерений получается компактный рисунок, который уже можно сравнивать с другими. Ошибись в периоде, и впадины разойдутся по разным частям рисунка.
Инженер Кристофер Шаллю и астроном Эндрю Вандербург разделили поиск на несколько операций. По описанию разработчика, периодические изменения яркости искал отдельный алгоритм. На этом этапе разумно собрать с запасом всё, что хоть немного похоже на прохождения. Среди находок будут шум, сбои и реальные астрономические события другого рода. Следом нейросеть оценивала форму каждого отобранного сигнала. Вычислительно это разные занятия: вначале компьютеру нужно отыскать подходящий период, затем решить, на что похоже обнаруженное повторение.
Для обучения взяли около 15 тысяч ранее проверенных сигналов из каталога «Кеплера». В них уже была заключена работа людей и прежних процедур отбора. Поэтому самый буквальный смысл слова «обучение» здесь весьма скромен и точен. У программы имелись примеры рисунков, которые исследователи относили к прохождениям планет, а также примеры ложных срабатываний. Связь между формой впадины и её вероятным объяснением модель усвоила из этих различий. Умение пригодилось там, где новых слабых кандидатов оказалось слишком много для удобного разбора по очереди.
Почему начали с обжитых систем
Для проверки выбрали 670 звёзд, у которых уже знали по нескольку планет. Такой выбор заранее менял шансы на успех. Если у далёкой звезды обнаружили несколько прохождений, направление взгляда с Земли уже позволяет наблюдать по крайней мере часть её планетной системы с ребра. Ещё одно небольшое тело могло остаться незамеченным при прежнем отборе слабых сигналов. Такова была осмысленная ставка исследователей. Нельзя пользоваться результатом такого поиска, как если бы эти звёзды выбрали жребием из всего неба.
По итогам работы исследователи сообщили о двух планетах. Одна получила обозначение Kepler-90i, другая была найдена у звезды Kepler-80. Как отмечало NASA при объявлении результата, находка у Kepler-90 довела число известных там планет до восьми. Сходство с Солнечной системой легко довести дальше, чем позволяют измерения. Счёт планет совпал, но орбита с периодом чуть дольше двух недель говорит о мире, совсем иначе расположенном относительно своего светила, чем Земля.
Что могло потемнеть вместо звезды
Самое интересное место в исследовательской статье Шаллю и Вандербурга посвящено ошибкам. Представим, что в область, из которой прибор собирает свет, попала более далёкая пара звёзд. Одна периодически загораживает другую. Если к их свету добавляется яркая звезда на переднем плане, глубокое затмение слабой пары может выглядеть как небольшая потеря суммарной яркости. Повторяемость у такого сигнала безупречная. По одному этому признаку его невозможно отличить от планеты.
Здесь помогают сведения, часть которых теряется при превращении измерений в единственную красивую кривую. Можно спросить, например, сдвигается ли центр распределения света на детекторе во время потемнения. Если потускнел соседний источник, положение центра может измениться. Авторы отдельно обсуждали пользу таких данных для распознавания фоновых звёзд. В испытаниях на искусственных сигналах их модель уступала более зрелой системе проверки в отсеве некоторых ложных срабатываний. Высокая оценка кандидата оправдывала внимание астронома, а дальнейшая проверка требовала вернуться к устройству прибора и возможным источникам света.
У открытия в архиве есть любопытное ограничение. Даже превосходно обученная сеть способна поднять в списке только тот сигнал, который дошёл до неё после первого отбора. Если поисковая процедура пропустила нужный период, классификатор не получит кривую для разбора. И наоборот, ослабив отбор, исследователи вынуждены разобраться с множеством дополнительных ложных тревог. Новое знание здесь родилось из совместной настройки двух этапов. Оставив телескоп и звезду на своих местах, астрономы смогли внимательнее прочитать несколько коротких потемнений, которые уже однажды записали.
Тематическая фотография: Paxton Tomko / Unsplash.