AI giúp tìm hành tinh ngoài hệ Mặt Trời bằng cách đọc hàng trăm nghìn chuỗi số đo độ sáng của các ngôi sao và chỉ ra chuỗi nào có kiểu mờ đi đều đặn giống một hành tinh đi ngang qua. Năm 2017, hai nhà nghiên cứu dùng mạng thần kinh trên dữ liệu kính viễn vọng không gian Kepler và tìm thêm một hành tinh quanh sao Kepler-90, nâng số hành tinh đã biết của hệ này lên tám, bằng hệ Mặt Trời của chúng ta.
AI ở đây không "nhìn thấy" hành tinh. Nó lọc tín hiệu trong biển dữ liệu để nhà thiên văn biết chỗ nào đáng xem kỹ, rồi con người kiểm chứng bằng nhiều cách. Bài này giải thích phương pháp quá cảnh, vì sao tín hiệu giả nhiều đến mức cần máy lọc, câu chuyện Kepler-90i, và cách bạn hay học sinh có thể tự tìm hiểu dữ liệu thiên văn thật.
Phương pháp quá cảnh: tìm hành tinh qua cái bóng rất nhỏ
Hành tinh quanh các ngôi sao khác ở quá xa và quá mờ so với ngôi sao của nó, nên gần như không chụp trực tiếp được. Cách phổ biến nhất để phát hiện chúng là chờ hành tinh đi ngang qua trước mặt sao theo hướng nhìn của ta. Lúc đó hành tinh che đi một phần rất nhỏ ánh sáng, và độ sáng sao giảm xuống một chút rồi trở lại như cũ.
Mức giảm này nhỏ đến mức khó hình dung. Một hành tinh cỡ Trái Đất đi qua trước một ngôi sao cỡ Mặt Trời chỉ làm độ sáng giảm khoảng một phần mười nghìn. Hành tinh khí khổng lồ cỡ Sao Mộc làm giảm khoảng một phần trăm. Vì thế kính viễn vọng phải đo độ sáng cực kỳ ổn định, liên tục trong thời gian dài.
Nếu sự sụt sáng lặp lại đều đặn với cùng độ sâu và cùng thời lượng, đó là dấu hiệu tốt của một hành tinh. Khoảng cách giữa các lần cho biết chu kỳ quỹ đạo; độ sâu cho biết kích thước hành tinh so với sao; hình dạng đường cong cho biết thêm về quỹ đạo. Chuỗi số đo độ sáng theo thời gian được gọi là đường cong ánh sáng, và đó là dữ liệu mà AI đọc.
Kính viễn vọng không gian Kepler của NASA, hoạt động từ năm 2009 đến 2018, theo dõi liên tục khoảng một trăm năm mươi nghìn ngôi sao trong một vùng trời ở nhiệm vụ chính. Sau đó vệ tinh TESS, phóng năm 2018, quét gần như toàn bộ bầu trời. Lượng đường cong ánh sáng các nhiệm vụ này tạo ra là quá lớn để con người xem hết bằng mắt.
Vì sao cần máy lọc: biển tín hiệu giả
Sao đôi che nhau. Hai ngôi sao quay quanh nhau cũng che nhau định kỳ, tạo sụt sáng giống hành tinh. Nếu một cặp sao như vậy nằm phía sau ngôi sao đang theo dõi, tín hiệu của nó lẫn vào và trông như hành tinh nhỏ.
Vết đen và dao động của sao. Bề mặt sao có vết tối, sao có thể co giãn hay bùng sáng, làm đường cong ánh sáng lên xuống theo những nhịp riêng.
Nhiễu thiết bị. Kính viễn vọng rung nhẹ, cảm biến nóng lên, tia vũ trụ chạm cảm biến, tất cả để lại dấu vết trong số đo.
Tín hiệu quá yếu. Hành tinh nhỏ, quỹ đạo dài, chỉ đi qua vài lần trong cả nhiệm vụ cho tín hiệu sát mức nhiễu, rất dễ bị bỏ sót hoặc nhầm.
Cách làm truyền thống. Phần mềm tự động tìm những sụt sáng lặp lại và đưa ra hàng chục nghìn "tín hiệu đáng ngờ". Các nhà thiên văn và tình nguyện viên khoa học công dân xem từng cái để loại tín hiệu giả. Đây là việc chậm và phụ thuộc người xem, và chính là chỗ học máy được đưa vào để xếp hạng tín hiệu nào nhiều khả năng là hành tinh thật.
Câu chuyện Kepler-90i
Năm 2017, Christopher Shallue, kỹ sư tại Google, và Andrew Vanderburg, nhà thiên văn khi đó ở Đại học Texas tại Austin, huấn luyện một mạng thần kinh trên hàng nghìn tín hiệu Kepler đã được con người phân loại là hành tinh thật hoặc tín hiệu giả. Mô hình học cách nhìn hình dạng sụt sáng để phân biệt hai loại.
Sau đó họ cho mô hình xem lại dữ liệu của một số ngôi sao đã biết có nhiều hành tinh, tìm những tín hiệu yếu mà các lần tìm trước bỏ qua. Ở sao Kepler-90, mô hình chỉ ra một tín hiệu mới. Các nhà nghiên cứu kiểm tra thêm và kết luận đó là một hành tinh, đặt tên Kepler-90i: một hành tinh đá nhỏ, quay rất gần sao nên nóng, chu kỳ khoảng hai tuần. Với phát hiện này, Kepler-90 trở thành hệ đầu tiên được biết có tám hành tinh như hệ Mặt Trời.
Điều đáng học ở câu chuyện không phải là "AI tìm ra hành tinh" mà là cách làm: mô hình được dạy bằng phán đoán của con người tích luỹ nhiều năm, được dùng để xem lại dữ liệu cũ, và kết quả của nó lại phải qua kiểm chứng thống kê của nhà thiên văn. Những năm sau, NASA cũng phát triển các mô hình học sâu xác nhận thêm hàng trăm hành tinh từ dữ liệu Kepler theo tinh thần tương tự.
Từ tín hiệu đến hành tinh được xác nhận
Một tín hiệu được AI xếp hạng cao vẫn chỉ là "ứng viên". Để được gọi là hành tinh đã xác nhận, nó thường phải đi qua các bước như sau, tuỳ trường hợp có thể thêm hoặc bớt.
- Kiểm hình dạng sụt sáng: sụt sáng của hành tinh có đáy tương đối phẳng và hai sườn đối xứng; sao đôi thường tạo hình chữ V hoặc có sụt sáng phụ.
- Kiểm vị trí: xem tín hiệu có đúng đến từ ngôi sao mục tiêu không, hay từ một ngôi sao mờ bên cạnh lọt vào cùng điểm ảnh.
- Quan sát thêm từ mặt đất: chụp ảnh độ phân giải cao để tìm sao lân cận có thể gây nhầm.
- Đo dao động vận tốc của sao nếu có thể: hành tinh kéo sao lắc nhẹ, đo được bằng phổ, cho thêm thông tin về khối lượng.
- Phân tích thống kê: tính xác suất tín hiệu là hành tinh so với mọi khả năng giả khác, khi không đo được khối lượng.
- Công bố và để cộng đồng kiểm: nhóm khác có thể phân tích lại cùng dữ liệu và đồng ý hoặc phản bác.
Trong quy trình này, AI hữu ích nhất ở bước đầu, khi phải lọc hàng chục nghìn tín hiệu, và có thể hỗ trợ bước phân tích thống kê. Các bước còn lại cần thiết bị, thời gian quan sát và phán đoán chuyên môn.
Bạn có thể tự chạm vào dữ liệu thiên văn thật
Một điều tuyệt vời của thiên văn là dữ liệu của nhiều nhiệm vụ không gian được công bố công khai. Học sinh trung học, với sự hướng dẫn của thầy cô, có thể tải đường cong ánh sáng của một ngôi sao đã biết có hành tinh, vẽ lên bằng bảng tính và tự nhìn thấy những lần sụt sáng. Cảm giác tự tay "thấy" một hành tinh cách hàng trăm năm ánh sáng thường đọng lại rất lâu.
Các dự án khoa học công dân trên thế giới từng mời tình nguyện viên xem đường cong ánh sáng để tìm tín hiệu mà máy bỏ sót, và một số hành tinh đã được phát hiện theo cách đó. Bạn có thể tìm hiểu xem dự án nào đang mở; điều kiện tham gia thường chỉ là biết đọc hướng dẫn tiếng Anh cơ bản.
Khi nhờ chatbot hướng dẫn, một câu lệnh hữu ích là: "Hướng dẫn học sinh lớp 11 đọc một đường cong ánh sáng có hành tinh quá cảnh: cần nhìn trục nào, ước tính chu kỳ và kích thước tương đối ra sao, những tín hiệu giả nào cần cảnh giác." Chatbot giải thích nguyên lý khá tốt, nhưng hay nhầm số liệu cụ thể của từng hệ hành tinh, nên hãy tra con số ở cơ sở dữ liệu ngoại hành tinh chính thức. Phần ngắm sao, chọn kính và lịch thiên văn có ở danh mục vũ trụ và thiên văn của trang.
Với giáo viên, một hoạt động vừa sức là in sẵn ba đường cong ánh sáng giả định: một có sụt sáng đáy phẳng lặp đều, một có hình chữ V kèm sụt sáng phụ, một chỉ có nhiễu lên xuống. Học sinh đoán cái nào là hành tinh, giải thích lý do, rồi so với cách nhà thiên văn lọc tín hiệu ở trên. Không cần chấm đúng sai; điều đáng ghi nhận là lập luận.
Đọc tin "phát hiện hành tinh giống Trái Đất" cho đúng
Tin về ngoại hành tinh thường được giật thành "tìm thấy Trái Đất thứ hai" hay "hành tinh có thể có sự sống". Trước khi tin, hãy tách ba thông tin mà bài báo khoa học gốc thường nêu riêng. Một là kích thước: dữ liệu quá cảnh cho biết hành tinh to bằng bao nhiêu lần Trái Đất, nhưng cùng cỡ chưa có nghĩa là cùng chất, vì hành tinh đó có thể là đá, có thể là quả cầu khí dày đặc. Hai là khối lượng: chỉ có khi đo thêm được dao động của sao, và nhiều hành tinh nhỏ chưa đo được. Ba là vị trí so với vùng ở được, tức khoảng cách mà nước có thể tồn tại ở thể lỏng nếu hành tinh có khí quyển phù hợp.
Chữ "nếu" ở vế cuối rất quan trọng. Nằm trong vùng ở được chỉ nói về lượng ánh sáng hành tinh nhận, không nói hành tinh có khí quyển, có nước hay có sự sống. Một hành tinh quay quanh sao lùn đỏ có thể nằm trong vùng ở được nhưng hứng các đợt bùng sáng mạnh của sao.
Khi nhờ chatbot tóm tắt một tin như vậy, bạn có thể yêu cầu: "Tách rõ đâu là số đo, đâu là ước tính, đâu là suy đoán của nhà báo; nêu hành tinh đã được xác nhận hay mới là ứng viên." Cách đọc này cũng là bài tập tư duy khoa học hay cho lớp học, vì nó dạy phân biệt dữ liệu và diễn giải.
Câu hỏi thường gặp
Kepler-90i có thể có sự sống không?
Rất khó, theo hiểu biết hiện nay. Hành tinh này quay rất gần ngôi sao của nó với chu kỳ khoảng hai tuần, nên bề mặt được ước tính là rất nóng, không có nước lỏng như trên Trái Đất. Phát hiện này có ý nghĩa về phương pháp hơn là về khả năng có sự sống.
Đến nay đã biết bao nhiêu hành tinh ngoài hệ Mặt Trời?
Con số đã xác nhận lên tới vài nghìn và tăng liên tục khi có dữ liệu mới. Vì con số thay đổi thường xuyên, bạn nên tra cơ sở dữ liệu ngoại hành tinh của các tổ chức thiên văn để có số mới nhất thay vì tin vào con số trong một bài viết cũ.
AI có phát hiện hành tinh mà con người không thể phát hiện không?
Về nguyên tắc con người cũng có thể tìm ra những tín hiệu đó nếu xem đủ kỹ, nhưng khối lượng dữ liệu quá lớn và tín hiệu quá yếu khiến việc xem hết là không thực tế. AI giúp chỉ ra chỗ đáng xem, còn xác nhận vẫn cần con người và thêm quan sát.
Ngoài quá cảnh còn cách nào tìm hành tinh?
Có phương pháp đo vận tốc xuyên tâm, theo dõi ngôi sao lắc nhẹ do lực hút của hành tinh; phương pháp vi thấu kính hấp dẫn; và chụp ảnh trực tiếp với những hành tinh lớn, ở xa sao. Mỗi cách hợp với một kiểu hành tinh khác nhau.
Có thể tự phát hiện hành tinh bằng kính thiên văn nghiệp dư không?
Một số người chơi thiên văn có thiết bị tốt đã đo được quá cảnh của các hành tinh khí khổng lồ đã biết, vì mức sụt sáng khoảng một phần trăm. Việc này cần máy ảnh chuyên dụng, trời trong và xử lý dữ liệu cẩn thận; với người mới, bắt đầu từ dữ liệu công khai sẽ dễ hơn.
Vì sao hành tinh được đặt tên như Kepler-90i?
Phần đầu là tên ngôi sao trong danh mục của nhiệm vụ Kepler. Chữ cái phía sau đánh dấu hành tinh theo thứ tự được phát hiện, bắt đầu từ chữ b; Kepler-90i được phát hiện sau các hành tinh từ b đến h nên mang chữ i.