太阳系外行星研究领域正在经历一场地震般的转变。迄今为止，已经在3711个行星系中确认了4940颗系外行星，还有8709颗候选行星在等待确认。有这么多的行星可供研究，望远镜灵敏度和数据分析的改进，焦点正从发现过渡到表征。不是简单地寻找更多的行星，天体生物学家将检查“潜在宜居”的世界，以寻找潜在的“生物特征”。
这是指与生命和生物过程相关的化学特征，其中最重要的是水。水是我们所知道的生命无法存在的唯一溶剂，因此被认为是寻找生命的“探测杆”。在最近的一项研究中，天体物理学家Dang Pham和Lisa Kaltenegger解释了未来的调查(当与机器学习相结合时)如何能够识别遥远的系外行星上的水、雪和云的存在。
丹格·范是多伦多大学大卫·a·邓拉普天文与天体物理系的研究生，他在那里专门从事行星动力学研究。丽莎·柯廷安格是康奈尔大学天文学副教授，卡尔·萨根研究所所长，也是为潜在宜居世界建模和描述其大气特征的世界领先专家。
水是地球上所有生命赖以生存的东西，因此它在系外行星和天体生物学研究中很重要。正如Lisa Kaltenegger通过电子邮件告诉《今日宇宙》的那样，这种重要性体现在NASA的口号中——“跟着水走”——这也启发了他们论文的标题:
目前，天文学家一直局限于寻找莱曼-阿尔法线吸收，这表明在一颗系外行星的大气层中存在氢气。这是暴露在太阳紫外线辐射下的大气水蒸气的副产品，导致它在化学上分解成氢和分子氧(O2)——前者流失到太空中，而后者保留下来。
多亏了下一代望远镜，如詹姆斯韦伯(JWST)和南希格雷斯罗马太空望远镜(RST)，以及下一代望远镜，如起源空间望远镜(Origins Space Telescope)、可居住系外行星天文台(HabEx)和大型紫外/光学/红外探测器(LUVOIR)，这种情况即将改变。还有一些地面望远镜，比如超大望远镜(ELT)、巨型麦哲伦望远镜(GMT)和30米望远镜(TMT)。
多亏了巨大的主镜和先进的光谱仪、计时仪、自适应光学设备，这些仪器将能够对系外行星进行直接成像研究。这包括研究直接从系外行星的大气层或表面反射的光，以获得光谱，让天文学家看到存在什么化学元素。但正如他们在论文中指出的那样，这是一个耗时的过程。
天文学家首先观察数千颗恒星的周期性亮度下降，然后分析其光曲线以寻找化学特征。目前，系外行星研究人员和天体生物学家依靠业余天文学家和机器算法来整理望远镜获得的大量数据。展望未来，Pham和Kaltenegger向我们展示了更先进的机器学习是多么的重要。
正如他们所指出的，MI技术将使天文学家能够更快地对系外行星进行初始特征描述，从而使天文学家能够对后续观测的目标进行优先排序。通过“跟着水走”，天文学家将能够把天文台更多宝贵的调查时间花在更有可能提供显著回报的系外行星上。
“下一代望远镜将寻找行星大气中的水蒸气和行星表面的水，”柯廷安说。“当然，要想在行星表面找到水，你应该寻找液态、固态和气态形式的水，就像我们在论文中做的那样。”
Pham补充道:“机器学习让我们能够快速识别最佳滤波器，以及在不同信噪比下的准确性权衡。”“在第一个任务中，使用[开源算法]XGBoost，我们得到了一个排序，哪个过滤器对算法在探测水、雪或云的任务中最有帮助。在第二个任务中，我们可以观察在较少噪声的情况下算法的性能有多好。因此，我们可以画出一条线，即获得更多的信号并不意味着更好的准确性。”
为了确保他们的算法能够完成任务，Pham和Kaltenegger做了一些相当大的调整。这包括创建一个寒冷的地球的53,130个光谱剖面，包括雪、水和水云的各种表面成分。然后，他们根据大气和表面反射率模拟了这些水的光谱，并分配了颜色剖面。范教授解释说:
经过训练的XGBoost显示，云和雪比水更容易识别，这是预期的，因为云和雪比水有更高的反照率(更强的阳光反射率)。他们进一步确定了5个对算法非常有效的最佳滤光片，它们的宽度都是0.2微米，在可见光范围内。最后一步是进行模拟概率评估，从他们确定的5个最佳过滤器中评估他们的行星模型，包括液态水、雪和云。
“最后，我们使用马尔可夫链蒙特卡罗(MCMC)对5个最优滤波器进行了简短的贝叶斯分析，作为一种非机器学习方法来验证我们的发现，”Pham说。“我们的发现是相似的:水更难探测，但通过光度法识别水、雪和云是可行的。”
同样，他们惊讶地发现，训练有素的XGBoost仅凭颜色就能很好地识别岩石行星表面的水。根据Kaltenegger的说法，这就是滤光片的真正含义:一种将光线分离到不同“箱子”的方法。“想象一下，一个箱子装着所有的红光(‘红色’滤镜)，然后一个箱子装着所有的绿光，从浅绿色到深绿色(‘绿色’滤镜)，”她说。
他们提出的方法不是在系外行星的大气中识别水，而是通过光度法在系外行星的表面识别水。此外，它将不会与过境方法(又名。日射光度法(Transit Photometry)，是目前应用最广泛、最有效的系外行星探测方法。这种方法由观察遥远恒星的周期性亮度下降归因于系外行星在恒星前面经过(又名。过渡)相对于观察者。
有时，天文学家可以在系外行星凌日时从其大气中获取光谱——这个过程被称为“凌日光谱学”。当太阳光线相对于观测者穿过系外行星的大气层时，天文学家将用光谱仪分析它，以确定那里有什么化学物质。JWST利用其灵敏的光学系统和光谱仪套件，将依靠这种方法来描述系外行星的大气特征。
但正如Pham和Kaltenegger所指出的，他们的算法只适用于直接成像的系外行星的反射光。考虑到通过直接成像研究获得的光谱学很可能揭示更多关于系外行星的信息——而不仅仅是它们大气的化学成分，这是一个特别好的消息。根据Kaltenegger的说法，这为下一代任务创造了各种各样的机会:
描述他们发现的论文最近发表在《皇家天文学会月刊》(MNRAS)上。
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