2号站娱乐官网注册在家点点鼠标,你就能发现太阳系外的新行星:这多亏了天文学家想“偷懒”

2021-12-03 03:29

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  凝视星空时,你或许也曾有过寻找太阳系外行星的梦想。现在,一些“公民科学家”项目提供了绝妙的机会:不需要专业知识,只要打开网站,动动手指,你就有可能帮助科学家找到新行星。

  撰文 | 张琪

  审校 | 王昱

  首先,让我们来“做道题”。请看下面这张图,观察被框起来的部分有什么特征。

  接下来,请在下图中找出有类似特征的区域。

  找到了吗?如果你能轻松给出答案,那么恭喜你,可以参与寻找新行星的工作了!

  这道“题目”的图片来源于一个名为“行星猎人TESS(Planet Hunter TESS)”的“公民科学家”项目。正如名字所说,这个项目关注的是太阳系外的行星(简称系外行星),使用的数据则来自于美国凌星系外行星巡天卫星(TESS)。

  搜索系外行星时,一项主要手段就是凌星法。就像地球和太阳的亮度差别,恒星的光芒完全盖过了系外行星,因此即使用现在最先进的望远镜,我们依然很难直接看到系外行星。但我们可以通过主星光线的变化来推测行星是否存在,这就是凌星法。

  当一颗行星掠过恒星前面时,会遮挡部分恒星发出的光线,这时在地球观测者眼中,恒星就会变暗了。因此我们可以借助恒星光线变化的幅度和频率,来推测系外行星是否存在和其基本特征。比如,如果假设恒星亮度不变,那么更大的行星就会阻挡更多的光线。以太阳系为例,木星是太阳系内最大的行星,它经过太阳表面时,凌日深度(反应太阳光线变暗的程度)约为1%,而对小得多的地球来说,凌日深度只有0.01%。

  正是使用这个方法,2009年发射升空的开普勒望远镜曾帮助我们找到了2662颗系外行星,而在其退役后,TESS接下重担,用其更广阔的视野寻找系外行星。自2018年4月18日发射升空后,TESS在2年间一刻不停地监视着约20万颗明亮恒星发出的光线,每2分钟测量并记录一次它们的亮度。这当然为我们提供了寻找和观测系外行星的绝佳机会,但同时也带来了巨大的数据量和计算量。

  这些数据当然不可能由研究团队手动处理,事实上,科学家已经开发出了比较有效的算法,来从海量数据中识别出可能的凌日事件,帮助研究者锁定“行星候选体”。然而研究者始终担忧的是,算法真的能够识别出所有的凌日事件吗?会不会有宝贵的“行星候选体”被遗漏呢?这让研究团队开始思考借助公众力量寻找系外行星的可能性。

  “众筹”超级计算机

  事实上,借助公众力量解决科学问题的“公民科学家”项目并不少见,甚至在上个世纪末就出现了。上世纪70年代,加州大学伯克利分校的科学家丹·沃西默(Dan Werthimer)和同事启动了 “搜寻附近地外智慧生命群落的无线电波计划”(Search for Extraterrestrial Radio Emissions from Nearby Developed Intelligent Populations, SERENDIP)项目,试图从无数噪音中寻找可能存在的微弱无线电信号。但是受到计算能力的限制,即便使用超级计算机,也难以在目标波段内进行有效探测。

  但研究者并不甘心就此放弃,他们将目光转向了个人电脑,决定用“大力出奇迹”的方式“众筹”出一台超级计算机。1999年5月17日,地外文明搜寻计划(Search for Extraterrestrial Intelligence,SETI)正式与公众见面了。简单来说,这个计划将三家天文台(包括美国弗吉尼亚州的绿岸天文望远镜,波多黎各的阿雷西博射电望远镜和欧洲的低频阵列望远镜)接收到的无线电信号“分成”无数小块的数据,发送给参与其中的若干计算机分别进行计算,计算结果上传后经过统一合并,得出最终结论。

  想要参与这个项目非常简单,用户只需下载一个小程序,登录后选择SETI@home项目,程序就会自动开始分析计算,不会耗费参与者更多的时间或是脑细胞。为了让项目显得更有趣,研究者甚至将整个计算过程可视化成了酷炫的彩虹三维图,还提供了作为屏保的选项。

  SETI@home项目一经推出就收获了极大热度,推出后仅几个月,226个国家或地区的超出260万人就贡献出了自己的电脑——毕竟大家都想在外星人呼叫地球的时候,由自己的电脑“接起电话”。虽然SETI项目在2020年宣布结束,但它的确展现出了公众参与科学研究的强大力量和可能性。

  “众筹”大脑

  而对于“行星猎人TESS”项目来说,“众筹”的则不是电脑的闲置算力,而是志愿者自身的智慧。还记得你在文章开头看到的图片吗?图中横坐标是时间,纵坐标是亮度的变化,这些看似杂乱的“点点图”就是TESS所记录的每个恒星亮度随时间的变化曲线。

  我们已经提到过,当一颗行星掠过恒星表面,恒星发出的光线会暂时变暗,显示在图中就可能是标识区域的样子。志愿者需要做的非常简单,从网站提供的光变曲线中,依次识别出可能的亮度下降事件并标出就可以了。

  当然,为了保证识别结果足够可靠,研究者也做出了一些努力。首先,在正常的探测结果中,混入了一些模拟光变曲线。这些模拟曲线人为设置了数个“凌日”事件,这样,通过模拟曲线的识别结果,研究者可以评估每个志愿者识别能力的强弱。同时,每组数据都会被分配给8~15名志愿者,他们的识别结果结合各自识别能力的权重,就可以给出每个事件的可能性评分。

  最终,在TESS发射后2年的时间里,世界各地的2万余名志愿者参与其中,筛选了超过1200万组数据。研究团队根据评分,重新检查了得分排名前500的事件,排除掉已通过其他渠道确认的结果后,最终识别出了90颗新的系外行星候选体。随后,研究团队会对这些行星候选体进行重复检查和后续观察,来排除掉其他可能性,锁定哪些是行星大小的天体。

  在90颗算法的“漏网之鱼”中,73颗行星候选体在整个观测周期中只发生了一次凌日事件,这意味着它们具有更长的轨道周期,也更容易被算法忽略。目前,“行星猎人TESS”项目已经宣告结束,项目结果发表于天文学顶刊《英国皇家天文学会月刊》,研究者在网站中列出了参与每个“行星候选体”识别的志愿者的ID,并在论文的致谢中写道“我们想要感谢所有参与了‘行星猎人TESS’项目的公民科学家,是他们提供了发现如此多有趣的天体系统的机会。

  公民科学家

  虽然“行星猎人TESS”项目暂时告一段落,不过假如你对此很感兴趣,现在还有机会参加同一平台发布的“行星猎人NGTS”项目。与“行星猎人TESS”不同,这个项目的数据来源于智利的次世代凌星巡天(Next-Generation Transit Survey,NGTS)望远镜。同时,新的项目设置更加“傻瓜”,它提供的数据图经过了初步处理,志愿者只需要根据自己对图像形状的理解,将其分入五个分类中的某一个或某两个当中。这些数据是算法筛选出的大量疑似凌日事件,但其中只有一小部分可能属于凌日事件,研究者希望通过公众的力量,筛选出其中最为宝贵的那部分数据。

  目前,新的项目已经有4616人参与,已完成28 065项任务,进度达到了32%。“我们非常确定我们的计算机程序漏掉了一些行星,”英国华威大学天体物理学家,“行星猎人NGTS”项目负责人彼得·惠特利(Peter Wheatley)表示,“漏掉的这些将是最不寻常的信号,因此反而可能是最有趣的天体。人类仍然比机器聪明,我迫不及待地想看看我们的志愿者发现了什么,这真是太令人兴奋了!”

  特别声明,本文不含任何推广成分……

  参考链接:

  https://setiathome.berkeley.edu

  https://www.zooniverse.org/projects/nora-dot-eisner/planet-hunters-tess

  https://academic.oup.com/mnras/article-abstract/501/4/4669/6027708?redirectedFrom=fulltext

  https://www.zooniverse.org/projects/mschwamb/planet-hunters-ngts

  本文转自《环球科学》

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