近日，由中國科學(xué)院上海天文臺(tái)葛健教授帶領(lǐng)的國際團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新了一種結(jié)合GPU相位折疊和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的深度學(xué)習(xí)算法，并成功在開普勒（Kepler）2017年釋放的恒星測(cè)光數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)了五顆直徑小于地球、軌道周期短于1天的超短周期行星，其中四顆是迄今為止發(fā)現(xiàn)的距其主星最近的最小行星，類似火星大小。這是天文學(xué)家首次利用人工智能一次性完成搜尋疑似信號(hào)和識(shí)別真信號(hào)的任務(wù)，相關(guān)研究成果發(fā)表在國際天文學(xué)期刊《皇家天文學(xué)會(huì)月報(bào)》（MNRAS）上。

經(jīng)過5年的努力和創(chuàng)新，研究團(tuán)隊(duì)成功開發(fā)了結(jié)合GPU相位折疊和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的深度學(xué)習(xí)的新算法（GPFC）。該算法比國際上流行的BLS法搜尋速度提高了約15倍，檢測(cè)準(zhǔn)確度和完備度各提高約7%，顯著提高了凌星信號(hào)搜索速度、精度和完備度。該算法已成功應(yīng)用在Kepler的數(shù)據(jù)集中，并識(shí)別出五顆新的超短周期行星：Kepler-158d、Kepler-963c、Kepler-879c、Kepler-1489c和Kepler-2003b。其中，Kepler-879c、Kepler-158d、Kepler-1489c和Kepler-963c分別位列迄今為止發(fā)現(xiàn)的最小超短周期行星中的第一、第二、第三和第五名。Kepler-879c、Kepler-158d、Kepler-1489c和Kepler-2003b是最接近其主星的小型行星，其軌道半徑在5個(gè)恒星半徑以內(nèi)，展現(xiàn)了新的算法在搜尋微弱凌星信號(hào)的優(yōu)勢(shì)。

這些超短周期行星的存在為行星系統(tǒng)的早期演化、行星-行星相互作用以及恒星-行星相互作用的動(dòng)力學(xué)（包括潮汐力和大氣侵蝕）研究提供重要線索，對(duì)行星形成理論研究有重大意義。該研究成果對(duì)在高精度光度觀測(cè)數(shù)據(jù)中快速、高效搜尋凌星信號(hào)提供了新的研究方式，也充分顯現(xiàn)了人工智能在天文海量數(shù)據(jù)中探尋微弱信號(hào)的廣泛應(yīng)用潛力和前景。

圖1：已知行星半徑和行星軌道半長軸分布以及五個(gè)新發(fā)現(xiàn)的超短周期行星（紅點(diǎn)）。四個(gè)新的超短周期行星——Kepler-158d、Kepler-879c、Kepler-1489c和Kepler-2003b——是最接近它們主星的最小行星之一，其軌道在5個(gè)恒星半徑以內(nèi)。

圖2: 行星半徑小于1.5倍地球半徑與五個(gè)新發(fā)現(xiàn)的超短周期行星（紅圈標(biāo)記）及NASA系外行星檔案中已確認(rèn)系外行星的主星開普勒星等的關(guān)系圖。標(biāo)記顏色對(duì)應(yīng)主星的有效溫度。新發(fā)現(xiàn)的超短周期行星的主星是類太陽恒星（有效溫度～5000-6000K）中最暗的目標(biāo)，顯示新的探測(cè)方法的超高靈敏度。

藝術(shù)想象圖（制圖：石琰）新發(fā)現(xiàn)的類似火星大小的超短周期系外行星。由于離主星非常近，行星不光表面溫度很高，而且潮汐力會(huì)擠壓行星內(nèi)部和表面產(chǎn)生很多火山噴發(fā)。

論文鏈接：

https://academic.oup.com/mnras/article/534/3/1913/7762975

科學(xué)聯(lián)系人：

葛健，中國科學(xué)院上海天文臺(tái)，jge@shao.ac.cn， 手機(jī)號(hào)碼：13764339667

背景參考材料

葛健表示：“本次工作的真正起始時(shí)間是2015年，當(dāng)年的人工智能AlphaGo剛?cè)〉昧酥卮笸黄疲驍×藝褰绲穆殬I(yè)高手。我受佛羅里達(dá)大學(xué)計(jì)算機(jī)系同事李曉林教授的激勵(lì)和啟發(fā)，決定試圖把人工智能的深度學(xué)習(xí)應(yīng)用在Kepler釋放的測(cè)光數(shù)據(jù)中，尋找Kepler使用傳統(tǒng)方法沒能找到的微弱凌星信號(hào)。幸運(yùn)的是經(jīng)過了近10年的努力，我們終于有了第一份收獲，本次工作的突破性發(fā)現(xiàn)是人工智能在天文大數(shù)據(jù)領(lǐng)域應(yīng)用的又一個(gè)里程碑，要想使用人工智能在海量的天文數(shù)據(jù)中‘挖’到極其稀少的新發(fā)現(xiàn)，就需要發(fā)展創(chuàng)新的人工智能算法，同時(shí)需要依據(jù)新發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象的物理圖像特征生成的大量的人工數(shù)據(jù)集做訓(xùn)練，使之能快速、準(zhǔn)確、完備地探尋到這些很難在傳統(tǒng)方式下找到的稀少而微弱的信號(hào)?！?/p>

普林斯頓大學(xué)天體物理學(xué)家Josh Winn教授評(píng)論：“超短周期行星，或稱“熔巖世界”，是我最喜歡的系外行星類型之一。它們擁有極其極端和出乎意料的特性，為我們理解行星軌道如何隨時(shí)間變化提供線索。我原以為開普勒數(shù)據(jù)中的凌星信號(hào)已經(jīng)被“挖掘殆盡”，不會(huì)再有其他行星發(fā)現(xiàn)，聽到這些新的潛在行星的消息讓我非常興奮，這項(xiàng)尋找新行星的技術(shù)成就讓我印象深刻。”

自從超短周期系外行星于2011年在Kepler測(cè)光數(shù)據(jù)中首次被發(fā)現(xiàn)以來，這些新發(fā)現(xiàn)給行星形成理論帶來了獨(dú)特的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，促使科學(xué)家重新審視和完善現(xiàn)有的行星系統(tǒng)形成和演化模型。傳統(tǒng)的基于太陽系的行星形成理論并未預(yù)測(cè)軌道比水星更接近的行星。

這些超短周期行星的存在為行星系統(tǒng)的早期演化、行星-行星相互作用以及恒星-行星相互作用的動(dòng)力學(xué)（包括潮汐力和大氣侵蝕）研究提供重要線索。超短周期行星很可能不是在其當(dāng)前的位置形成的，而是從原始軌道向內(nèi)遷移。這是因?yàn)檫@些超短周期行星的主星在其前期形成階段的半徑比現(xiàn)在大得多，距離更近的超短周期行星如果在恒星形成階段就在恒星附近，很可能早已被其主星吞噬。同時(shí)鑒于經(jīng)常觀察到超短周期行星伴有較長周期軌道的外部行星，因此推測(cè)超短周期行星的起源涉及行星兄弟姐妹之間的相互作用，這些相互作用將超短周期行星重新定位到它們當(dāng)前靠近主星的軌道上，可能是以前由恒星自身占據(jù)的軌道。除此之外，超短周期行星的這種軌道遷移也有可能是由與原行星盤的相互作用或通過與主星的潮汐相互作用驅(qū)動(dòng)而形成的。

超短周期行星在類太陽恒星的發(fā)生率很低，只有大約0.5%，通常半徑小于2倍地球半徑，或在超熱木星的情況下，大于10倍地球半徑。到目前為止，總共只找到了145顆超短周期行星，其中只有30顆半徑小于地球半徑。理解超短周期行星的相對(duì)豐度及其特性對(duì)于檢驗(yàn)理論模型至關(guān)重要。然而，已知的超短周期行星樣本量太小，它們的統(tǒng)計(jì)特征和出現(xiàn)率很難精確了解。

葛健團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的在GPU上并行化的快速折疊算法可以提高低信噪比的凌星信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)高精度快速搜索。該卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)由19層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)組成。由于已知的凌星信號(hào)真實(shí)樣本太少，沒法有效、精確訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。研究團(tuán)隊(duì)根據(jù)凌星信號(hào)圖像的物理特征創(chuàng)新地設(shè)計(jì)和生成各種可能的凌星信號(hào)，然后加入200萬個(gè)利用Kepler真實(shí)光變數(shù)據(jù)人工合成的光變曲線上進(jìn)行訓(xùn)練。訓(xùn)練后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)再應(yīng)用在Kepler的數(shù)據(jù)集中并和GPU快速折疊算法一起使用搜尋數(shù)據(jù)中的超短周期凌星信號(hào)。這種GPFC新算法比國際上流行的先進(jìn)的BLS法搜尋速度提高了約15倍，檢測(cè)準(zhǔn)確度和完備度各提高約7%。這些性能的提高幫助團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了這5顆半徑很小的超短周期行星。這些火星大小的行星提供了更加多樣化的系外行星樣本，為理解超短周期行星形成機(jī)制提供新線索。