科學也可以如此靠近

這多虧了天文學家想「偷懶」

1月
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2022

2022年1月10日21時

2021年11月15日 10:00

科學報綜合

  凝視星空時,你或許也曾有過尋找太陽系外行星的夢想。現在,一些「公民科學家」項目提供了絕妙的機會:不需要專業知識,只要打開網站,動動手指,你就有可能幫助科學家找到新行星。

  撰文 | 張琪

  審校 | 王昱

  首先,讓我們來「做道題」。請看下面這張圖,觀察被框起來的部分有什麼特征。

  接下來,請在下圖中找出有類似特征的區域。

  找到了嗎?如果你能輕松給出答案,那麼恭喜你,可以參與尋找新行星的工作了!

  這道「題目」的圖片來源於一個名為「行星獵人TESS(Planet Hunter TESS)」的「公民科學家」項目。正如名字所說,這個項目關注的是太陽系外的行星(簡稱系外行星),使用的數據則來自於美國淩星系外行星巡天衛星(TESS)。

  搜索系外行星時,一項主要手段就是淩星法。就像地球和太陽的亮度差別,恒星的光芒完全蓋過了系外行星,因此即使用現在最先進的望遠鏡,我們依然很難直接看到系外行星。但我們可以通過主星光線的變化來推測行星是否存在,這就是淩星法。

  當一顆行星掠過恒星前面時,會遮擋部分恒星發出的光線,這時在地球觀測者眼中,恒星就會變暗了。因此我們可以借助恒星光線變化的幅度和頻率,來推測系外行星是否存在和其基本特征。比如,如果假設恒星亮度不變,那麼更大的行星就會阻擋更多的光線。以太陽系為例,木星是太陽系內最大的行星,它經過太陽表面時,淩日深度(反應太陽光線變暗的程度)約為1%,而對小得多的地球來說,淩日深度只有0.01%。

  正是使用這個方法,2009年發射升空的開普勒望遠鏡曾幫助我們找到了2662顆系外行星,而在其退役後,TESS接下重擔,用其更廣闊的視野尋找系外行星。自2018年4月18日發射升空後,TESS在2年間一刻不停地監視著約20萬顆明亮恒星發出的光線,每2分鐘測量並記錄一次它們的亮度。這當然為我們提供了尋找和觀測系外行星的絕佳機會,但同時也帶來了巨大的數據量和計算量。

  這些數據當然不可能由研究團隊手動處理,事實上,科學家已經開發出了比較有效的算法,來從海量數據中識別出可能的淩日事件,幫助研究者鎖定「行星候選體」。然而研究者始終擔憂的是,算法真的能夠識別出所有的淩日事件嗎?會不會有寶貴的「行星候選體」被遺漏呢?這讓研究團隊開始思考借助公眾力量尋找系外行星的可能性。

  「眾籌」超級計算機

  事實上,借助公眾力量解決科學問題的「公民科學家」項目並不少見,甚至在上個世紀末就出現了。上世紀70年代,加州大學伯克利分校的科學家丹·沃西默(Dan Werthimer)和同事啟動了 「搜尋附近地外智慧生命群落的無線電波計劃」(Search for Extraterrestrial Radio Emissions from Nearby Developed Intelligent Populations, SERENDIP)項目,試圖從無數噪音中尋找可能存在的微弱無線電信號。但是受到計算能力的限制,即便使用超級計算機,也難以在目標波段內進行有效探測。

  但研究者並不甘心就此放棄,他們將目光轉向了個人電腦,決定用「大力出奇跡」的方式「眾籌」出一台超級計算機。1999年5月17日,地外文明搜尋計劃(Search for Extraterrestrial Intelligence,SETI)正式與公眾見面了。簡單來說,這個計劃將三家天文台(包括美國弗吉尼亞州的綠岸天文望遠鏡,波多黎各的阿雷西博射電望遠鏡和歐洲的低頻陣列望遠鏡)接收到的無線電信號「分成」無數小塊的數據,發送給參與其中的若幹計算機分別進行計算,計算結果上傳後經過統一合並,得出最終結論。

  想要參與這個項目非常簡單,用戶只需下載一個小程序,登錄後選擇SETI@home項目,程序就會自動開始分析計算,不會耗費參與者更多的時間或是腦細胞。為了讓項目顯得更有趣,研究者甚至將整個計算過程可視化成了酷炫的彩虹三維圖,還提供了作為屏保的選項。

  SETI@home項目一經推出就收獲了極大熱度,推出後僅幾個月,226個國家或地區的超出260萬人就貢獻出了自己的電腦——畢竟大家都想在外星人呼叫地球的時候,由自己的電腦「接起電話」。雖然SETI項目在2020年宣布結束,但它的確展現出了公眾參與科學研究的強大力量和可能性。

  「眾籌」大腦

  而對於「行星獵人TESS」項目來說,「眾籌」的則不是電腦的閑置算力,而是志願者自身的智慧。還記得你在文章開頭看到的圖片嗎?圖中橫坐標是時間,縱坐標是亮度的變化,這些看似雜亂的「點點圖」就是TESS所記錄的每個恒星亮度隨時間的變化曲線。

  我們已經提到過,當一顆行星掠過恒星表面,恒星發出的光線會暫時變暗,顯示在圖中就可能是標識區域的樣子。志願者需要做的非常簡單,從網站提供的光變曲線中,依次識別出可能的亮度下降事件並標出就可以了。

  當然,為了保證識別結果足夠可靠,研究者也做出了一些努力。首先,在正常的探測結果中,混入了一些模擬光變曲線。這些模擬曲線人為設置了數個「淩日」事件,這樣,通過模擬曲線的識別結果,研究者可以評估每個志願者識別能力的強弱。同時,每組數據都會被分配給8~15名志願者,他們的識別結果結合各自識別能力的權重,就可以給出每個事件的可能性評分。

  最終,在TESS發射後2年的時間裏,世界各地的2萬餘名志願者參與其中,篩選了超過1200萬組數據。研究團隊根據評分,重新檢查了得分排名前500的事件,排除掉已通過其他渠道確認的結果後,最終識別出了90顆新的系外行星候選體。隨後,研究團隊會對這些行星候選體進行重複檢查和後續觀察,來排除掉其他可能性,鎖定哪些是行星大小的天體。

  在90顆算法的「漏網之魚」中,73顆行星候選體在整個觀測周期中只發生了一次淩日事件,這意味著它們具有更長的軌道周期,也更容易被算法忽略。目前,「行星獵人TESS」項目已經宣告結束,項目結果發表於天文學頂刊《英國皇家天文學會月刊》,研究者在網站中列出了參與每個「行星候選體」識別的志願者的ID,並在論文的致謝中寫道「我們想要感謝所有參與了‘行星獵人TESS’項目的公民科學家,是他們提供了發現如此多有趣的天體系統的機會。」

  公民科學家

  雖然「行星獵人TESS」項目暫時告一段落,不過假如你對此很感興趣,現在還有機會參加同一平台發布的「行星獵人NGTS」項目。與「行星獵人TESS」不同,這個項目的數據來源於智利的次世代淩星巡天(Next-Generation Transit Survey,NGTS)望遠鏡。同時,新的項目設置更加「傻瓜」,它提供的數據圖經過了初步處理,志願者只需要根據自己對圖像形狀的理解,將其分入五個分類中的某一個或某兩個當中。這些數據是算法篩選出的大量疑似淩日事件,但其中只有一小部分可能屬於淩日事件,研究者希望通過公眾的力量,篩選出其中最為寶貴的那部分數據。

  目前,新的項目已經有4616人參與,已完成28 065項任務,進度達到了32%。「我們非常確定我們的計算機程序漏掉了一些行星,」英國華威大學天體物理學家,「行星獵人NGTS」項目負責人彼得·惠特利(Peter Wheatley)表示,「漏掉的這些將是最不尋常的信號,因此反而可能是最有趣的天體。人類仍然比機器聰明,我迫不及待地想看看我們的志願者發現了什麼,這真是太令人興奮了!」

  特別聲明,本文不含任何推廣成分……

  參考鏈接:


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