Portal informacyjny
Nauki ścisłe
Zwycięska droga do egzoplanet
Divyansh Srivastava ze Szkoły Doktorskiej Nauk Ścisłych i Przyrodniczych Academia Scientiarum Thoruniensis UMK, wygrał ExoHack IV. Konkursowe wyzwanie zorganizowano w ramach przygotowywanej przez Europejską Agencję Kosmiczną misji teleskopu Ariel.
Zawody odbyły się w Kapteyn Astronomical Institute oraz w SRON Netherlands Institute for Space Research w Groningen. Przez 36 godzin zespoły młodych badaczy z całej Europy pracowały nad jednym wymagającym zadaniem. Otrzymali dane w postaci widma tranzytu egzoplanety i na ich podstawie musieli określić właściwości jej atmosfery, m.in. temperaturę oraz obecność pary wodnej, dwutlenku węgla, metanu, tlenku węgla i amoniaku.
Jak podkreśla Divyansh Srivastava, największym wyzwaniem nie była sama analiza danych, ale niepewność wyników. Nie chodziło bowiem o wskazanie jednej wartości dla każdej wielkości, lecz o oszacowanie całych zakresów możliwych rozwiązań wraz z ich prawdopodobieństwem. W praktyce oznaczało to pracę na styku astrofizyki i nowoczesnych metod uczenia maszynowego.
Srivastava jest doktorantem w zakresie astronomii w Academia Scientiarum Thoruniensis pod opieką prof. dr. hab. Andrzeja Niedzielskiego z Instytutu Astronomii UMK. W zwycięskim zespole znaleźli się także Astrid Stulemeijer z Holandii oraz Alexandru Caliman z Belgii. Ich wspólne rozwiązanie okazało się najbardziej skuteczne spośród wszystkich zgłoszonych projektów.
Zadanie na czasie
Tematyka konkursu nie była przypadkowa. Egzoplanety, czyli planety krążące wokół innych gwiazd niż Słońce, są jednym z najważniejszych obszarów zainteresowań współczesnej astronomii. W ciągu ostatnich trzech dekad odkryto ich tysiące, co zmieniło sposób patrzenia na kosmos – dziś wiemy, że planety są powszechne w galaktyce, naturalnie więc pojawiło się pytanie: czy któreś z nich mogą przypominać Ziemię i nadawać się do życia?
Klucz do odpowiedzi leży w atmosferach tych światów. To one decydują o temperaturze powierzchni, obecności ciekłej wody i ochronie przed promieniowaniem. Problem polega jednak na tym, że ich badanie z odległości setek lat świetlnych jest niezwykle trudne. Naukowcy nie obserwują planet bezpośrednio. Zamiast tego analizują światło gwiazdy, które przechodzi przez atmosferę planety podczas jej tranzytu. Poszczególne związki chemiczne "odciskają" w nim swoje ślady, ale sygnał jest bardzo słaby i łatwo ginie w szumie pomiarowym. Dodatkowo różne kombinacje warunków mogą dawać bardzo podobne wyniki, co utrudnia jednoznaczną interpretację.
Właśnie dlatego powstaje misja teleskopu Ariel realizowana przez Europejską Agencję Kosmiczną. Jej start planowany jest na 2031 rok. Będzie to pierwsze przedsięwzięcie w pełni poświęcone systematycznemu badaniu atmosfer egzoplanet. Teleskop ma zebrać dane o ponad tysiącu planet o bardzo różnych właściwościach.
Skala projektu sprawia jednak, że tradycyjne metody analizy okazują się zbyt wolne. Dlatego zespół Ariel Data Challenge organizuje konkursy, które mają pomóc w opracowaniu szybszych i bardziej niezawodnych narzędzi obliczeniowych – jednym z nich jest właśnie ten, który wygrał doktorant z UMK.
Zwycięski zespół zaproponował podejście oparte na uczeniu maszynowym, łącząc dwa różne modele analizy danych. Jeden z nich tworzył pełny opis możliwych rozwiązań na podstawie symulacji fizycznych, drugi syntetyzował informacje w bardziej skondensowanej formie i uczył się rozkładu parametrów atmosfery. Następnie połączono je w jeden system, który uwzględniał zgodność i rozbieżności między wynikami.
Takie podejście pozwala nie tylko wskazać najbardziej prawdopodobne wartości, ale też uczciwie określić niepewność. Jeśli dwa niezależne modele różnią się w ocenie składu atmosfery, system automatycznie zwiększa zakres możliwych rozwiązań zamiast udawać pozorną pewność. Osiągnięcie zespołu ma również znaczenie wykraczające poza sam konkurs. Metody tego typu mogą w przyszłości zostać wykorzystane przy analizie danych z misji Ariel, gdy teleskop rozpocznie obserwacje. W kontekście nadchodzącej dekady, w której możliwe stanie się badanie chemii tysięcy odległych światów, szybkie i wiarygodne narzędzia analityczne będą kluczowe. To od nich może zależeć, czy uda się wykryć w atmosferach egzoplanet sygnały wskazujące na warunki sprzyjające życiu
