I PRIMI RISULTATI SU MONTHLY NOTICES OF THE ROYAL ASTRONOMICAL SOCIETY

Planet Patrol e il Tes(s)oro dei cittadini scienziati

Si chiama Planet Patrol. È un progetto di scienza partecipata per la ricerca di falsi pianeti nei dati del satellite Nasa Tess. E a distanza di un anno dall'avvio ha già raccolto i suoi primi frutti, identificando su 999 candidati esopianeti del catalogo Tess Triple-9 709 veri candidati esopianeti e 144 falsi positivi. L’astrofisico campano Luca Cacciapuoti è l’autore principale dello studio, pubblicato su Mnras, che riporta i risultati della ricerca. Lo abbiamo intervistato

     12/07/2022
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“Con il tuo aiuto, possiamo trovare piccoli pianeti, pianeti di lungo periodo, pianeti attorno a insolite stelle ospiti e altri sistemi rari che sfuggono agli algoritmi di ricerca automatizzata”. Sono le parole con cui il team della missione Transiting Exoplanet Survey Satellite (Tess) della Nasa chiedeva ai cittadini di partecipare al progetto Planet Patrol sulla piattaforma Zooniverse.

Il logo del progetto di Citizen science Planet Patrol.

La missione Tess della Nasa produce curve di luce di decine di milioni di stelle sparse nel cielo per cercare eventuali pianeti che orbitino loro attorno, chiamati “esopianeti in transito”. Dal 2018, anno in cui è stato lanciata, la missione ha rilevato migliaia di candidati esopianeti, la maggior parte dei quali devono ancora essere confermati. Un passaggio chiave nel processo di conferma di questi oggetti di interesse di Tess (Toi, dall’inglese Tess Objects of Interest) è escludere dal set di dati – curve di luce e immagini – tutti i segnali non planetari: i cosiddetti falsi positivi. Cali temporanei della luminosità di una stella non sempre infatti sono dovuti al transito di un pianeta sul disco stellare: stelle variabili, stelle binarie a eclisse e in certi casi artefatti strumentali possono produrre un effetto simile, generando immagini e curve di luce in cui un segnale è etichettato come oggetto di interesse sebbene di interessante non abbia nulla.

È proprio per stanare questi falsi pianeti nei dati di Tess che è nato il progetto di scienza partecipata Planet Patrol. Guidato dalla Nasa e ospitato sulla piattaforma Zooniverse, il progetto ha visto la collaborazione di migliaia di volontari che si sono uniti al team scientifico della missione alla ricerca di falsi positivi, riducendo così l’onere delle osservazioni di follow-up e facilitando l’addestramento di algoritmi di apprendimento automatico.

Tra i componenti del gruppo di lavoro del progetto c’è l’astrofisico Luca Cacciapuoti, alla guida del team di volontari che hanno risposto alla chiamata – oltre seimila – e primo autore di un articolo, pubblicato di recente su Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, che riporta i risultati della ricerca di questi falsi pianeti nei dati di Tess. Al lavoro di ricerca hanno contribuito anche gli studenti magistrali del corso di fisica della Federico II di Napoli, Francesco Gallo e Riccardo Ienco, del gruppo di ricerca guidato dal professor Giovanni Covone. Laurea triennale e specialistica conseguita presso l’Università Federico II di Napoli, la sua città natale, Cacciapuoti si trova attualmente a Garching, vicino a Monaco di Baviera, in Germania, dove sta svolgendo il dottorato di ricerca presso la sede dell’Osservatorio europeo australe (Eso). Lo abbiamo intervistato.

Cacciapuoti, quando è nata l’idea del progetto Planet Patrol?

«L’idea del progetto è nata nel 2020, a cavallo con la mia prima esperienza con la Nasa: una internship estiva con il dottor Veselin Kostov e la dottoressa Elisa Quintana. Il progetto è stato testato per alcuni mesi prima di lasciare la versione finale su Zooniverse. Ad ottobre 2021 il progetto è partito. L’utente veniva istruito a classificare immagini del satellite Tess ed abbiamo raccolto 450mila classificazioni per circa 20mila immagini nel giro di una settimana. La stessa operazione avrebbe preso mesi a me ed il mio Nasa mentor»

Come avviene il processo di identificazione dei falsi positivi da parte dei volontari?

«Il pianeta candidato viene testato tramite il codice Dave (Discovery and Vetting of Exoplanets). Dave produce una serie di test automatizzati che puntano ad evidenziare possibili ragioni per cui il candidato può essere un falso positivo. Ad esempio, i cittadini scienziati cercavano eclissi secondarie (tipiche di stelle binarie e non pianeti), variabilità della stella (sotto forma di oscillazione della curva di luce), artefatti nei dati (sulla base della forma e della periodicità del segnale) e cosi via. In particolare, le immagini classificate con Planet Patrol sono servite a generare il test dei “centroidi di di luce”, ossia delle immagini differenza fra il momento delle eclissi e il resto del tempo in cui la stella viene osservata. L’immagine differenza azzera tutte le sorgenti non variabili del campo di vista (le quali hanno sempre la stessa luminosità) mentre ha un valore diverso da zero per le stelle che variano. Se un pianeta passa di fronte alla stella osservata, ne varia la luce, e l’immagine differenza ha un segnale diverso da zero nei pixel occupati dalla stella target. Se invece c’è un’altra stella che causa la variazione, l’immagine differenza sarà nulla dovunque meno che su questo candidato impostore».

Luca Cacciapuoti, PhD student allo European Southern Observatory (Eso)

Perché è importante il contributo dei volontari nell’analisi dei dati di Tess? Gli algoritmi di apprendimento automatici da soli non sono sufficienti?

«Il contributo di cittadini scienziati è utile a questo tipo di ricerca perché il cervello umano è ancora al top fra gli strumenti di classificazione dei pattern. Specialmente per pianeti piccoli, che lasciano segnali di bassa intensità coperti dal rumore. Inoltre, gli algoritmi di apprendimento automatico sono fondamentali ma lo possono solo diventare grazie alla nostra conoscenza pregressa (apprendimento automatico supervisionato). Infatti, algoritmi che cercano e verificano pianeti esistono per la missione Kepler e sono efficienti, ma per Tess la situazione è diversa perché erano ancora pochi i candidati confermati. Il nostro è infatti il primo catalogo di una certa dimensione i cui candidati sono verificati in modo uniforme, e quindi può essere usato per insegnare agli algoritmi a riconoscere pianeti e falsi positivi nei nuovi dati di Tess. Noi stiamo già usando il catalogo per costruire uno di questi algoritmi».

A solo un anno dall’avvio del progetto, avete pubblicato su Mnras un articolo che riporta i primi risultati del progetto di scienza partecipata: l’analisi da parte dei volontari di 999 pianeti candidati del catalogo Tess Triple-9 (Tt9). Com’è andata?

 «Abbiamo individuato 709 veri candidati esopianeti ma soprattutto abbiamo etichettato 144 falsi positivi, per lo più stelle binarie. Oltre all’uso per addestrare algoritmi di apprendimento automatico già citato, queste individuazioni permettono anche di rendere prioritarie osservazioni di follow-up, cioè quelle osservazioni di fotometria e spettroscopia che gli osservatori nel mondo portano avanti per confermare un eventuale candidato. Trovare 144 falsi positivi vuol quindi dire poter risparmiare prezioso tempo di osservazione in queste facilities. Fra i candidati analizzati, inoltre, abbiamo scovato un nuovo evento di transito nella curva di luce di Tic 100990000: un sistema di due pianeti in orbita intorno a una stella di tipo solare, a cui va quindi aggiunto questo terzo compagno. Uno studio più approfondito del sistema è in corso ed i risultati sono stati inviati alla rivista Astronomy & Astrophysics».

Interfaccia web personalizzata per semplificare il processo di ricerca di falsi pianeti, talk board sulla piattaforma Zooniverse, interazioni regolari con i volontari, registrazioni video delle riunioni, tutorial… Qual è il segreto per il successo di un progetto di citizen science?

«Avendo partecipato a varie riunioni con i vari leader dei progetti di citizen science della Nasa, posso dire che la ricetta per il progetto di citizen science ottimale contiene sicuramente la regolarità delle riunioni e la necessità di insegnare ogni volta qualcosa di nuovo per mantenere vivo l’interesse. Il punto fondamentale è però convincere il proprio team che si stia facendo un lavoro utile alla comunità, un lavoro per cui vale la pena partecipare a una call il venerdì pomeriggio alle 17 come nel nostro caso, un lavoro che allarga un po’ gli orizzonti del nostro universo a fine settimana».

Quali sono i piani futuri?

«Per ora il progetto Planet Patrol è in pausa, proprio perché il nostro primo obiettivo è essere produttivi in un progetto che sia seriamente utile al campo degli esopianeti. Abbiamo deciso di prendere una pausa dalle attività di convalida e inserire quel che abbiamo imparato nei nostri algoritmi, costruirne di automatici e riprendere i tutorial per i nostri volontari. Tutto questo perché sappiamo che presto arriveranno molti candidati da scrutinare in sinergia con un altro progetto della Nasa. Vogliamo prepararci a questa opportunità».

Per saperne di più:

Guarda il video sul canale YouTube della Nasa: