Một thuật toán học máy được đào tạo trên các hệ thống hành tinh tổng hợp đã được đưa vào sử dụng — và trong quá trình này đã xác định được gần bốn chục ngôi sao thực sự có khả năng cao là nơi chứa một hành tinh đá trong vùng có thể ở được của chúng.
"Mô hình đã xác định được 44 hệ thống có khả năng cao là nơi chứa các hành tinh giống Trái Đất chưa được phát hiện", Jeanne Davoult, một nhà thiên văn học tại Cơ quan Hàng không Vũ trụ Đức DLR, cho biết trong statement. "Một nghiên cứu sâu hơn đã xác nhận khả năng lý thuyết cho các hệ thống này có một hành tinh giống Trái Đất."
Thông thường, các thế giới "giống Trái Đất" — giống Trái Đất theo nghĩa chúng có khối lượng tương tự như hành tinh của chúng ta và nằm trong vùng có thể sinh sống của ngôi sao của chúng — được tìm thấy một cách tình cờ, thường là trong các cuộc khảo sát lớn theo dõi hàng nghìn ngôi sao để tìm các hành tinh quá cảnh. Tuy nhiên, các nhà thiên văn học muốn cân bằng tỷ lệ tìm thấy các hành tinh có thể sinh sống được có kích thước bằng Trái Đất, và do đó cần một phương tiện có mục tiêu hơn để tìm các ngôi sao ứng cử viên.
Đây là lý do khiến Davoult phát triển thuật toán khi bà còn học tại Đại học Bern ở Thụy Sĩ. Giống như tất cả các mô hình dựa trên thuật toán học máy học cách xác định các mẫu và đưa ra dự đoán dựa trên vị trí thuật toán nhìn thấy các mẫu đó, thuật toán này phải được đào tạo trên dữ liệu. Tuy nhiên, vấn đề là mặc dù gần 6.000 ngoại hành tinh đã được phát hiện cho đến nay, thông tin mà chúng ta có về các thế giới này vẫn còn rời rạc. Và nói chung, ngay cả 6.000 thế giới cũng không đủ để đào tạo thuật toán.
Vì vậy, Davoult và các đồng nghiệp của bà tại Đại học Bern, Romain Eltschinger và Yann Alibert, đã chuyển sang một mô hình khác có khả năng mô phỏng các thế giới dựa trên mọi thứ chúng ta biết về các hệ hành tinh. Mô hình Bern về sự hình thành và tiến hóa của hành tinh đã được phát triển liên tục tại Đại học Bern kể từ năm 2003 và liên tục được cải tiến khi có thêm nhiều dữ liệu và mô hình lý thuyết.
"Mô hình Bern có thể được sử dụng để đưa ra các tuyên bố về cách các hành tinh được hình thành, cách chúng tiến hóa và loại hành tinh nào phát triển trong những điều kiện nhất định trong một đĩa tiền hành tinh", Alibert cho biết trong tuyên bố. "Mô hình Bern là một trong số ít mô hình trên toàn thế giới cung cấp nhiều quá trình vật lý có liên quan và cho phép thực hiện một nghiên cứu như nghiên cứu hiện tại."
Mô hình Bern đã đưa ra 53.882 hệ hành tinh mô phỏng xung quanh ba loại sao khác nhau: các sao loại G giống như mặt trời của chúng ta, sao lùn đỏ có khối lượng bằng khoảng một nửa mặt trời và một nhóm sao lùn đỏ thứ hai chỉ bằng một phần năm khối lượng mặt trời.
Thuật toán bắt đầu tìm kiếm các mô hình hoặc mối tương quan trong các hệ hành tinh mô phỏng này, kết nối sự hiện diện hoặc vắng mặt của một hành tinh có vùng sinh sống có kích thước bằng Trái đất với nhiều kiến trúc khác nhau của các hệ hành tinh.
Một số mối tương quan rõ ràng hơn những mối tương quan khác. Ví dụ, có mối tương quan giữa sự tồn tại của một hành tinh đá bên trong cùng sinh sống trong một hệ thống với một hành tinh khí khổng lồ bên ngoài. Đây là cùng một kiến trúc mà hệ mặt trời của chúng ta có, với các hành tinh đá gần mặt trời hơn các hành tinh khí khổng lồ.
Mặt khác, có một mối tương quan nghịch giữa các Sao Mộc nóng, là các hành tinh khí khổng lồ gần mặt trời của chúng, và các hành tinh "hạt đậu trong vỏ", là các chuỗi hành tinh đá có khối lượng và khoảng cách quỹ đạo tương tự đã được tìm thấy xung quanh một số ngôi sao lùn đỏ như TRAPPIST-1 và Ngôi sao Barnard. Vì Sao Mộc nóng là một hành tinh khí khổng lồ hình thành xa hơn so với ngôi sao của nó và sau đó di chuyển vào trong, đẩy bất kỳ hành tinh nào trên đường đi của nó ra khỏi đường đi, nên chúng ta không mong đợi tìm thấy một Sao Mộc nóng bên cạnh các hành tinh đá có trật tự như vậy.
Nhưng cũng có những mối tương quan sâu sắc hơn, được Davoult xác định trong nghiên cứu trước đó. Đặc biệt, khối lượng, bán kính và chu kỳ quỹ đạo của hành tinh trong cùng có thể phát hiện được dường như là một dấu hiệu quan trọng cho biết liệu một hệ thống có chứa một hành tinh ôn đới có kích thước bằng Trái Đất hay không.
Ví dụ, Davoult phát hiện ra rằng xung quanh các ngôi sao loại G như Mặt Trời của chúng ta, sự tồn tại của một hành tinh có kích thước bằng Trái Đất trong vùng có thể sinh sống có vẻ có khả năng xảy ra hơn nếu bán kính của hành tinh trong cùng có thể phát hiện được lớn hơn 2,5 lần bán kính Trái Đất hoặc nếu nó có chu kỳ quỹ đạo lớn hơn 10 ngày.
Được trang bị kiến thức về các mối tương quan này, thuật toán đã được đào tạo thành công trên dữ liệu mô phỏng.
"Kết quả thật ấn tượng: thuật toán đạt được các giá trị độ chính xác lên tới 0,99, nghĩa là 99% các hệ thống được mô hình máy học xác định có ít nhất một hành tinh giống Trái Đất", Davoult cho biết.
Tin tưởng vào khả năng nhận dạng mối tương quan của thuật toán, sau đó thuật toán được áp dụng vào các quan sát thực tế, cung cấp 44 hệ hành tinh ứng viên trong đó có khả năng cao là có một hành tinh có kích thước bằng Trái Đất tồn tại trong vùng có thể ở được của ngôi sao của nó. Các nhà thiên văn học hiện có thể theo dõi các mục tiêu này, thay vì tìm kiếm các ngôi sao một cách mù quáng.
Các câu chuyện liên quan:
— Biến đổi khí hậu có thể khiến vấn đề rác vũ trụ của Trái đất trở nên tồi tệ hơn như thế nào
— Các hành tinh ngoài hành tinh lớn có thể được sinh ra trong hỗn loạn, theo phát hiện của một thợ săn ngoại hành tinh đã nghỉ hưu của NASA
— Các ngoại hành tinh gần đó có thể cung cấp manh mối về bầu khí quyển xung quanh các thế giới ngoài hành tinh nóng và nhiều đá
Thuật toán này thực sự sẽ chứng minh được giá trị của nó trong tương lai. Nhiệm vụ PLATO của Cơ quan Vũ trụ Châu Âu dự kiến sẽ khám phá ra hàng nghìn hành tinh quá cảnh. Bằng cách áp dụng thuật toán vào các khám phá của PLATO, nó sẽ có thể thu hẹp hàng nghìn hệ thống xuống còn một số ít có khả năng cao hơn trong việc hỗ trợ một hành tinh giống Trái Đất, cho phép các nhà thiên văn học tìm thấy chúng nhanh hơn và hiệu quả hơn.
"Đây là một bước tiến quan trọng trong quá trình tìm kiếm các hành tinh có điều kiện thuận lợi cho sự sống và cuối cùng là tìm kiếm sự sống trong Vũ trụ", Alibert cho biết.
Những phát hiện này được công bố trên tạp chí Thiên văn học & Vật lý thiên văn.
"Mô hình đã xác định được 44 hệ thống có khả năng cao là nơi chứa các hành tinh giống Trái Đất chưa được phát hiện", Jeanne Davoult, một nhà thiên văn học tại Cơ quan Hàng không Vũ trụ Đức DLR, cho biết trong statement. "Một nghiên cứu sâu hơn đã xác nhận khả năng lý thuyết cho các hệ thống này có một hành tinh giống Trái Đất."
Thông thường, các thế giới "giống Trái Đất" — giống Trái Đất theo nghĩa chúng có khối lượng tương tự như hành tinh của chúng ta và nằm trong vùng có thể sinh sống của ngôi sao của chúng — được tìm thấy một cách tình cờ, thường là trong các cuộc khảo sát lớn theo dõi hàng nghìn ngôi sao để tìm các hành tinh quá cảnh. Tuy nhiên, các nhà thiên văn học muốn cân bằng tỷ lệ tìm thấy các hành tinh có thể sinh sống được có kích thước bằng Trái Đất, và do đó cần một phương tiện có mục tiêu hơn để tìm các ngôi sao ứng cử viên.
Đây là lý do khiến Davoult phát triển thuật toán khi bà còn học tại Đại học Bern ở Thụy Sĩ. Giống như tất cả các mô hình dựa trên thuật toán học máy học cách xác định các mẫu và đưa ra dự đoán dựa trên vị trí thuật toán nhìn thấy các mẫu đó, thuật toán này phải được đào tạo trên dữ liệu. Tuy nhiên, vấn đề là mặc dù gần 6.000 ngoại hành tinh đã được phát hiện cho đến nay, thông tin mà chúng ta có về các thế giới này vẫn còn rời rạc. Và nói chung, ngay cả 6.000 thế giới cũng không đủ để đào tạo thuật toán.
Vì vậy, Davoult và các đồng nghiệp của bà tại Đại học Bern, Romain Eltschinger và Yann Alibert, đã chuyển sang một mô hình khác có khả năng mô phỏng các thế giới dựa trên mọi thứ chúng ta biết về các hệ hành tinh. Mô hình Bern về sự hình thành và tiến hóa của hành tinh đã được phát triển liên tục tại Đại học Bern kể từ năm 2003 và liên tục được cải tiến khi có thêm nhiều dữ liệu và mô hình lý thuyết.
"Mô hình Bern có thể được sử dụng để đưa ra các tuyên bố về cách các hành tinh được hình thành, cách chúng tiến hóa và loại hành tinh nào phát triển trong những điều kiện nhất định trong một đĩa tiền hành tinh", Alibert cho biết trong tuyên bố. "Mô hình Bern là một trong số ít mô hình trên toàn thế giới cung cấp nhiều quá trình vật lý có liên quan và cho phép thực hiện một nghiên cứu như nghiên cứu hiện tại."
Mô hình Bern đã đưa ra 53.882 hệ hành tinh mô phỏng xung quanh ba loại sao khác nhau: các sao loại G giống như mặt trời của chúng ta, sao lùn đỏ có khối lượng bằng khoảng một nửa mặt trời và một nhóm sao lùn đỏ thứ hai chỉ bằng một phần năm khối lượng mặt trời.
Thuật toán bắt đầu tìm kiếm các mô hình hoặc mối tương quan trong các hệ hành tinh mô phỏng này, kết nối sự hiện diện hoặc vắng mặt của một hành tinh có vùng sinh sống có kích thước bằng Trái đất với nhiều kiến trúc khác nhau của các hệ hành tinh.
Một số mối tương quan rõ ràng hơn những mối tương quan khác. Ví dụ, có mối tương quan giữa sự tồn tại của một hành tinh đá bên trong cùng sinh sống trong một hệ thống với một hành tinh khí khổng lồ bên ngoài. Đây là cùng một kiến trúc mà hệ mặt trời của chúng ta có, với các hành tinh đá gần mặt trời hơn các hành tinh khí khổng lồ.
Mặt khác, có một mối tương quan nghịch giữa các Sao Mộc nóng, là các hành tinh khí khổng lồ gần mặt trời của chúng, và các hành tinh "hạt đậu trong vỏ", là các chuỗi hành tinh đá có khối lượng và khoảng cách quỹ đạo tương tự đã được tìm thấy xung quanh một số ngôi sao lùn đỏ như TRAPPIST-1 và Ngôi sao Barnard. Vì Sao Mộc nóng là một hành tinh khí khổng lồ hình thành xa hơn so với ngôi sao của nó và sau đó di chuyển vào trong, đẩy bất kỳ hành tinh nào trên đường đi của nó ra khỏi đường đi, nên chúng ta không mong đợi tìm thấy một Sao Mộc nóng bên cạnh các hành tinh đá có trật tự như vậy.
Nhưng cũng có những mối tương quan sâu sắc hơn, được Davoult xác định trong nghiên cứu trước đó. Đặc biệt, khối lượng, bán kính và chu kỳ quỹ đạo của hành tinh trong cùng có thể phát hiện được dường như là một dấu hiệu quan trọng cho biết liệu một hệ thống có chứa một hành tinh ôn đới có kích thước bằng Trái Đất hay không.
Ví dụ, Davoult phát hiện ra rằng xung quanh các ngôi sao loại G như Mặt Trời của chúng ta, sự tồn tại của một hành tinh có kích thước bằng Trái Đất trong vùng có thể sinh sống có vẻ có khả năng xảy ra hơn nếu bán kính của hành tinh trong cùng có thể phát hiện được lớn hơn 2,5 lần bán kính Trái Đất hoặc nếu nó có chu kỳ quỹ đạo lớn hơn 10 ngày.
Được trang bị kiến thức về các mối tương quan này, thuật toán đã được đào tạo thành công trên dữ liệu mô phỏng.
"Kết quả thật ấn tượng: thuật toán đạt được các giá trị độ chính xác lên tới 0,99, nghĩa là 99% các hệ thống được mô hình máy học xác định có ít nhất một hành tinh giống Trái Đất", Davoult cho biết.
Tin tưởng vào khả năng nhận dạng mối tương quan của thuật toán, sau đó thuật toán được áp dụng vào các quan sát thực tế, cung cấp 44 hệ hành tinh ứng viên trong đó có khả năng cao là có một hành tinh có kích thước bằng Trái Đất tồn tại trong vùng có thể ở được của ngôi sao của nó. Các nhà thiên văn học hiện có thể theo dõi các mục tiêu này, thay vì tìm kiếm các ngôi sao một cách mù quáng.
Các câu chuyện liên quan:
— Biến đổi khí hậu có thể khiến vấn đề rác vũ trụ của Trái đất trở nên tồi tệ hơn như thế nào
— Các hành tinh ngoài hành tinh lớn có thể được sinh ra trong hỗn loạn, theo phát hiện của một thợ săn ngoại hành tinh đã nghỉ hưu của NASA
— Các ngoại hành tinh gần đó có thể cung cấp manh mối về bầu khí quyển xung quanh các thế giới ngoài hành tinh nóng và nhiều đá
Thuật toán này thực sự sẽ chứng minh được giá trị của nó trong tương lai. Nhiệm vụ PLATO của Cơ quan Vũ trụ Châu Âu dự kiến sẽ khám phá ra hàng nghìn hành tinh quá cảnh. Bằng cách áp dụng thuật toán vào các khám phá của PLATO, nó sẽ có thể thu hẹp hàng nghìn hệ thống xuống còn một số ít có khả năng cao hơn trong việc hỗ trợ một hành tinh giống Trái Đất, cho phép các nhà thiên văn học tìm thấy chúng nhanh hơn và hiệu quả hơn.
"Đây là một bước tiến quan trọng trong quá trình tìm kiếm các hành tinh có điều kiện thuận lợi cho sự sống và cuối cùng là tìm kiếm sự sống trong Vũ trụ", Alibert cho biết.
Những phát hiện này được công bố trên tạp chí Thiên văn học & Vật lý thiên văn.
