Каталог вспышек на красных карликах улучшит модели для прогноза космической погоды

Ученые создали крупнейший каталог вспышек, происходящих на красных карликах — маленьких холодных звездах. Для этого авторы с помощью алгоритмов машинного обучения проанализировали данные об изменении блеска космических объектов из обзора имени Цвикки Паломарской обсерватории, расположенной в США. В результате астрономам удалось не только обнаружить 1229 уникальных вспышек, но и проследить, как меняется вспышечная активность красных карликов в зависимости от спектрального класса и удаленности звезды от плоскости Галактики. Полученные данные помогут лучше предсказывать активность звезд и оценивать, насколько условия на обращающихся вокруг них планетах благоприятны для возникновения жизни. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Красные карлики — самые многочисленные звезды в Галактике и ключевые объекты в поиске экзопланет: они часто имеют землеподобные планеты в зоне обитаемости. Температура красных карликов в 1,5–2 раза ниже, чем у Солнца, а радиус — в 2–10 раз меньше. Красные карлики обладают сильными магнитными полями — иногда в сотни раз больше солнечного. Именно связанные с изменением этих полей процессы приводят к вспышкам — мощным выбросам энергии длительностью от нескольких минут до нескольких часов.

Известно, что вспышки на Солнце, которое тоже относится к карликовым звездам, влияют на космическую погоду: нарушают работу спутников на земной орбите и приводят к радиопомехам. Поэтому, чтобы научиться предсказывать подобные события, надо знать их природу и частоту возникновения. Однако фиксировать такие быстротечные события сложно, поскольку специалистам приходится анализировать очень большие объемы данных, которые собирают телескопы.

Ученые из Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова (Москва) с коллегами из Университета Карнеги—Меллона (США) и Университета Клермон—Оверни (Франция) создали крупнейший каталог вспышек на красных карликах по данным, полученным с помощью наземных телескопов. Методами машинного обучения астрономы проанализировали 4,7 миллиарда объектов из обзора имени Цвикки Паломарской обсерватории США. Телескоп, с помощью которого проводится обзор, сканирует все доступное небо каждые два дня в поисках новых переменных объектов.

В первую очередь авторам нужно было выявить вспышки среди миллиардов объектов из всего массива данных. Задача усложнялась тем, что кроме физической переменности в данных было много ложных сигналов, связанных с пролетами искусственных спутников и дефектами на изображениях. Поскольку примеров вспышек для обучения алгоритма оказалось недостаточно, исследователи создали их искусственно. С этой целью астрономы взяли реальные сигналы вспышек, зафиксированные космическим телескопом TESS, и наложили их на данные о звездах в «спокойном» состоянии, собранные обзором имени Цвикки. Это позволило создать реалистичную обучающую выборку для тренировки алгоритма.

По используемым для обучения данным алгоритм вычислял признаки, которые передавались на вход классификатора, развернутого в облачной инфраструктуре Yandex Cloud. Обученный классификатор затем работал с целевой выборкой, на основании которой сформировал список потенциальных вспышек на красных карликах. Далее этот список прошел пост-фильтрацию: из него исключили астероиды, а также выполнили дополнительную классификацию на основе качества изображений и цвета. На заключительном этапе авторы проверили полученный список и сформировали финальный каталог вспышек — в него вошли 1229 вспышек на красных карликах за 2018–2020 годы.

Последующий анализ показал, что наиболее часто вспышки происходят на красных карликах спектрального класса M4, имеющих температуру около 3000°C. У более горячих звезд класса M0 (3800°C) вспышки наблюдались на порядки реже. Кроме того, вспышечная активность уменьшалась с удаленностью красного карлика от плоскости Млечного пути: чем дальше, тем возраст звезд больше, а магнитное поле звезды меньше.

«Полученные нами результаты позволяют лучше понять механизмы звездной активности, лежащие в основе солнечных вспышек, и тем самым улучшают модели прогноза космической погоды, которая влияет на работу спутников, электросетей и пилотируемых космических миссий. Каталог также будет полезен при оценке обитаемости экзопланет, вращающихся вокруг красных карликов, поскольку частые вспышки могут разрушать их атмосферы. Кроме того, разработанные алгоритмы искусственного интеллекта открывают новые возможности для анализа больших астрономических данных в будущих обзорах. В дальнейшем мы планируем продолжить исследование: прицельно искать вспышки в звездных скоплениях. Принадлежность звезды к звездному скоплению дает оценку ее возраста, что позволяет исследовать вспышечную активность на разных этапах эволюции звезды», — рассказывает участник проекта, поддержанного грантом РНФ, Анастасия Лаврухина, аспирант физического факультета МГУ, лаборант ГАИШ МГУ.