Солнечная система: новые наблюдения указывают на существование 2-го пояса космических тел

Новые наблюдения, полученные с помощью машинного обучения, свидетельствуют о том, что наша Солнечная система простирается гораздо дальше, чем считалось ранее. В частности, данные показывают удивительную плотность ранее не обнаруженных объектов, расположенных почти в 80 астрономических единицах (АЕ) от внешнего края пояса Койпера — региона, который, как предполагается, в основном пуст. Таким образом, исследователи предполагают наличие второго кольца космических объектов.

Наша Солнечная система окружена облаком Оорта – гигантской сферой космических объектов, расположенной на расстоянии около 1,6 световых лет от Солнца. Внутри этой оболочки находится диск, включающий в себя нашу звезду, планеты и их спутники. Его границы ограничивает пояс Койпера, расположенный за орбитой Нептуна. В отличие от облака Оорта, это относительно тонкое кольцо, занятое малыми ледяными телами, большинство из которых меньше Плутона. Его расстояние от Земли составляет примерно 30-55 АЕ (до границы внешнего края). Напомним, что АЕ соответствует среднему расстоянию между Землей и Солнцем (около 150 млн. км).

Большинство наблюдений пояса Койпера показало, что начиная с 48 АЕ (относительно Солнца) он резко сужается. Однако астрономы обнаружили, что эквиваленты этой области у других звезд, подобных Солнцу, простираются по крайней мере вдвое дальше. Поэтому до сих пор считалось, что наша Солнечная система относительно компактна и представляет собой исключение. Однако новые данные, полученные космическим аппаратом New Horizons и проанализированные группой специалистов из Исследовательского центра астрономии и астрофизики имени Герцберга (в частности, с использованием машинного обучения), позволяют предположить, что Солнечная система все-таки не столь исключительна по своему общему диаметру.

Техника, усовершенствованная с помощью машинного обучения

Зонд New Horizons, движущийся со скоростью около 60 000 км/ч, в настоящее время находится почти в 60 АЕ от Солнца. Несмотря на технические возможности аппарата, наблюдения на таком расстоянии представляют собой серьезную проблему. Объекты там настолько слабо освещены, что их крайне сложно обнаружить. С другой стороны, “обнаружение движущихся источников в астрономических данных является основой многих проектов планетарной астрономии“, — пишут исследователи в статье, представленной на 54-й конференции по изучению Луны и планет. Одним из способов преодоления этого препятствия является наложение нескольких экспозиций с целью усиления сигнала от малосветящихся источников. Однако перемещение объектов между интервалами экспозиции все еще остается проблемой.

Поэтому астрономы прибегают к технике, называемой “shift-stacking”. Даже если объект наблюдения находится в разных точках при каждой экспозиции, эта методика позволяет “сдвинуть” последовательность экспозиций таким образом, чтобы одни и те же пиксели на каждом изображении соответствовали этим точкам. Полученные изображения можно наложить друг на друга, улучшив видимость малосветящегося объекта. Но и здесь, несмотря на удовлетворительные результаты, остается проблема.

Сложение сдвигов требует тщательного визуального контроля, чтобы отличить движущиеся источники от точечных, которых гораздо больше. В результате его использование требует больших затрат и времени, не говоря уже о том, что цели не видны непосредственно на отдельных изображениях. Даже при использовании сложных методов обработки изображений частота ложных срабатываний остается высокой. Для решения этих проблем ученые из Исследовательского центра Герцберга использовали машинное обучение для объективной обработки больших объемов данных в рекордно короткие сроки.

Второй пояс космического мусора?

Новый протокол канадских исследователей основан на машинном обучении и привязке времени экспозиции для выявления кандидатов на высоковероятные источники смещения, специально адаптированные к данным shift-stacking. Для этого была использована многослойная 3D-конволютная остаточная нейронная сеть (ResNet) для выполнения задачи бинарной классификации: достоверно или недостоверно? Сначала сеть была обучена на искусственных исходных объектах для получения исходных данных. Затем она была применена для сортировки данных миссии New Horizons, собирающей объекты пояса Койпера.

Эта методика позволила сократить число источников-кандидатов более чем на три порядка, а эффективность обнаружения выросла более чем на 70%. Сеть ResNet обнаружила в два раза больше подтвержденных объектов, чем предыдущие исследования, в которых анализировались те же данные (собранные в 2020-2021 гг.). Кроме того, исследователи с удивлением обнаружили, что в пределах 80 АЕ от внешнего края пояса Койпера находится больше объектов, чем ожидалось. “Эти предварительные результаты, по-видимому, свидетельствуют о наличии до сих пор не обнаруженной и, вероятно, массивной популяции планетезималей за пределами известного пояса Койпера“, — отмечают они.

Таким образом, эти результаты свидетельствуют о существовании второго пояса космического мусора, удаленного от первого более чем на 50 АЕ. Это означает, что наша Солнечная система гораздо больше, чем считалось ранее, и в большей степени соответствует моделям звезд (с планетарной системой) подобного типа. Следует, однако, иметь в виду, что данное исследование все еще находится на стадии экспертной оценки, не говоря уже о том, что аналогичные исследования тех же космических регионов никогда не указывали на наличие такой плотности объектов.