Deep Learning entlarvt Exoplaneten

Der 2545 Lichtjahre entfernte, sonnenähnliche Stern Kepler-90 besitzt wie unsere Sonne acht Planeten. Das zeigt die Aus­wer­tung alter Daten des Welt­raum­tele­skops Kepler durch zwei US-ameri­ka­nische Forscher. Kepler-90 ist damit der erste Stern, bei dem Astro­nomen genauso viele Planeten wie in unserem Sonnen­system nach­weisen konnten. Und es ist das erste Mal, dass Forscher eine mit der Methode des Deep Learning trai­nierte künst­liche Intel­li­genz für die Suche nach Planeten ein­ge­setzt haben. Das Forscher­duo hofft, in den Kepler-Daten mit diesem Ver­fahren noch viele weitere Planeten zu ent­decken.

„Wir erwarten, dass in den archivierten Daten des Kepler-Tele­skops noch viele auf­re­genden Ent­deckungen ver­borgen sind“, sagt Paul Hertz von der ameri­ka­nischen Welt­raum­behörde NASA. „Sie warten nur auf das richtige Werk­zeug, mit dem sich diese Schätze heben lassen.“ Kepler hatte von 2009 bis 2013 die Hellig­keit von über 150.000 Sternen über­wacht und so über 2000 Exo­planeten auf­ge­spürt. Die Exo­planeten ver­raten sich – bei geeig­neter Lage ihrer Umlauf­bahnen – durch regel­mäßige, kleine Abschwä­chungen des Sternen­lichts, wenn sie von der Erde aus gesehen vor ihren Zentral­stern vorüber­ziehen.

Christopher Shallue von Google Brain, einem Zentrum zur Entwick­lung und Erforschung künst­licher Intel­ligenz, und der Astronom Andrew Vander­burg von der Univer­sity of Texas haben nun ein solches Werk­zeug ein­ge­setzt: das Deep Learning. Hierbei werden mehrere Schichten neuro­naler Netze mit­hilfe bekannter Daten­sätze so trainiert und opti­miert, dass sie selbst­ständig Muster in neuen Daten­sätzen auf­spüren können. Shallue und Vander­burg trai­nierten ihr neuro­nales Netz anhand von 15.000 Transit-Ereig­nissen in den Kepler-Daten, die bereits als Exo­planeten bestätigt werden konnten. Die künst­liche Intel­li­genz konnte schließ­lich mit einer Wahr­schein­lich­keit von 96 Prozent zwischen echten Signalen durch Exo­planeten und falschen Signalen durch Stör­effekte und Rauschen unter­scheiden.

Dann ließen die beiden Wissenschaftler ihr so trainiertes System auf 670 Stern­systeme los, in denen bereits jeweils mehrere Planeten bekannt waren. Dort, so ihre Erwar­tung, wäre die Wahr­schein­lich­keit, weitere Planeten zu finden, besonders hoch. „Wir haben eine große Menge an falsch posi­tiven Ergeb­nissen erhalten – aber auch poten­zielle reale Planeten“, sagt Vander­burg. Mit­hilfe weiterer statis­ischer Ana­lysen und Beob­ach­tungen muss jetzt in jedem Einzel­fall über­prüft werden, ob es sich um echte Planeten handelt.

Bei Kepler-90 konnten die Forscher den Verdacht des KI-Systems durch statis­tische Ana­lysen mit hoher Wahr­schein­lich­keit bestä­tigen. Der achte Planet des Systems ist etwa 30 Prozent größer als die Erde und umkreist seinen Zentral­stern alle 14,4 Tage auf einer extrem engen Umlauf­bahn. Vander­burg schätzt die mitt­lere Ober­flächen­tempe­ratur auf dem Planeten auf unwirt­liche 430 Grad Celsius. Einen weiteren Exo­planeten konnten Shallue und Vander­burg im 1100 Licht­jahre ent­fernten System Kepler-80 identi­fi­zieren. Hier waren zuvor bereits fünf Planeten bekannt. Zusammen mit vier seiner Nach­bar­planeten bildet der neu ent­deckte Himmels­körper eine Resonanz­kette: Die Umlauf­zeiten stehen durch gegen­seitige gravi­ta­tive Störungen in ganz­zahligen Ver­hält­nissen zuein­ander und bilden trotz­dem offenbar ein lang­fristig stabiles System.

Nach diesen Anfangserfolgen wollen Shallue und Vanderburg ihr Ver­fahren weiter ver­bessern und es auf den kompletten Daten­satz des Kepler-Tele­skops anwenden. „Unser ulti­ma­tives Ziel dabei ist“, so die beiden Wissen­schaftler, „die Häufig­keit erd­ähn­licher Planeten in der Galaxis zu bestimmen.“

Rainer Kayser

RK