فريق دكتوراه أسترالي يستخدم الذكاء الاصطناعي لاستعادة وضوح جيمس ويب

الكون عميق وشاسع. إنه جميل بشكل مخيف ومليء بالغموض. فهم هذا الكون هو المفتاح لفهم أصولنا ومكاننا فيه.

لمساعدة في ذلك، بنى العلماء تلسكوب جيمس ويب الفضائي (JWST)، أداة قوية صُممت لالتقاط الضوء من أولى المجرات وكشف كيف نشأ عالمنا. إنه أكبر تلسكوب في الفضاء، مما يتيح دراسة الأجرام الفلكية باستخدام الإشعاع تحت الأحمر.

هذا الشكل من الضوء يمتلك أطوال موجية أطول من الضوء المرئي، ويمكنه اختراق سحب الغبار الكونية التي تحجب الضوء المرئي. وبما أن ويب يراقب أطوالًا موجية أطول، فإنه يحتاج إلى مساحة جمع كبيرة لتحقيق دقة عالية.

يتكون المرآة الرئيسية لتلسكوب ويب من 18 قطعة مرآة سداسية الشكل مصنوعة من البيريليوم المطلي بالذهب، مكوّنةً مرآة بقطر 6.5 متر. هذه المرآة الكبيرة، إلى جانب الأدوات ذات الدقة العالية والحساسية العالية، تمكن ويب من اكتشاف أجرام أبعد بكثير مما كان يمكن للتلسكوبات الفضائية السابقة.

لجعل هذه الملاحظات ممكنة، يجب الحفاظ على ويب في درجات حرارة منخفضة للغاية، أقل من 50 كلفن (−370 درجة فهرنهايت؛ −223 درجة مئوية). هذا يمنع حرارة التلسكوب نفسها من التداخل مع إشارات تحت الأحمر الضعيفة التي يحاول التقاطها. تحمي درع الشمس متعدد الطبقات التلسكوب من مصادر الحرارة الخارجية مثل الشمس والقمر والأرض.

بفضل هذه الأدوات القوية، مكن ويب من إجراء تحقيقات عبر مجالات متعددة من الفلك والكونيات، بما في ذلك مراقبة أولى النجوم، وتكوّن أولى المجرات، وعلم الغلاف الجوي التفصيلي للكواكب الخارجية القابلة للسكن المحتملة.

مع ذلك، كانت بعض الصور الحديثة من ويب ضبابية إلى حد ما بسبب تشوهات في أحد أدواته الرئيسية. لحل هذه المشكلة، لجأ باحثا دكتوراه في جامعة سيدني، ماكس تشارلز ولويس ديسدوغتس، إلى الذكاء الاصطناعي. ومن المثير للإعجاب، أنهما فعلتا ذلك من الأرض دون أي تغييرات متعلقة بالأجهزة.

لكن لماذا هذا مهم؟ ما الذي يكتشفه ويب هناك يجعل الصور الأكثر وضوحًا مهمة جدًا؟ دعونا نلقي نظرة.

تلسكوب جيمس ويب الفضائي: مفاجآت من الكون المبكر

منذ بدء تشغيله، اكتشف ويب مجرات ذات بنية معقدة وثقوبًا سوداء عندما كان الكون لا يزال صغيرًا جدًا، متحديًا ما كنا نعرفه عن سرعة تكوّن أولى المجرات ونموها.

كشف ويب عن توقيعات جوية واضحة—بما في ذلك الميثان وثاني أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكبريت والأمونيا وحتى كبريتيد الهيدروجين—على عدة عوالم. بعض هذه الجزيئات كان لديها أدلة مؤقتة فقط (أو لا دليل على الإطلاق) قبل JWST؛ قدم ويب أول اكتشافات لا لبس فيها في عدة حالات، مما دفع تقدم كيمياء الكواكب الخارجية بشكل كبير.

لاحظ التلسكوب ميزات مثل أضواء الشفق الجوي لكوكب المشتري ووصف الأجسام الصغيرة المدمجة في حزام الكويكبات بين المشتري والمريخ، والتي يصعب على التلسكوبات الأخرى اكتشافها, يوضح مرونة JWST. تم اكتشاف عدة ثقوب سوداء ضخمة أيضًا تم اكتشافها من قبل التلسكوب.

مع هذه الاكتشافات والعديد غيرها، يفي JWST بوعده. إنه يُظهر لنا أن الكون المبكر أكثر نشاطًا وتعقيدًا مما كنا نظن أن يكون. قوته تساعدنا أيضًا على تجاوز مجرتنا والنظام الشمسي بمزيد من الرؤى التفصيلية والدقيقة حول طبيعة الكون.

مؤخرًا، رصد الفلكيون رصدوا¹ “إحدى أكثر الاكتشافات إرباكًا” حتى الآن أثناء مراجعة الصور من ويب.

قد تكون هذه الأجسام الساطعة والمربكة من أقدم مجرة معروفة في الكون، تظهر بعد 100 مليون سنة من الانفجار العظيم، أو قد تكون قزمًا بنيًا، أي نجمًا فاشلاً، أكبر من أكبر الكواكب الغازية لكنه غير كبير بما يكفي للحفاظ على الاندماج النووي في نواته. الهوية الدقيقة لـ Capotauro لا تزال غير مؤكدة، لكنها بالتأكيد “مثيرة للاهتمام وواعدة”.

تم رصد Capotauro من قبل فريق من الفيزيائيين الفلكيين في المعهد الوطني للفلك في إيطاليا في دراسة سابقة، عندما كانوا يحاولون تحديد المجرات القديمة في ملاحظات JWST. ومع ذلك، أدى نقص البيانات الدقيقة إلى استحالة تحديد هويتها. ثم أصدر JWST المزيد من البيانات عن Capotauro في وقت سابق من هذا العام، مما ساعد الفريق على تضييق ما يمكن أن تكونه.

استخدم الفريق الصور التي التقطها كاميرا الأشعة تحت الحمراء القريبة (NIRCam) لتلسكوب JWST عند سبعة أطوال موجية لقياس سطوع Capotauro، واستخدم بيانات محدودة ولكن أكثر دقة من مطياف الأشعة تحت الحمراء القريبة (NIRSpec) للحصول على فكرة عن عمرها ودرجة حرارتها.

تم دمج البيانات من NIRCam وNIRSpec، ثم استُخدمت نماذج لاختبار ثلاث تكوينات محتملة للمجرة. تم أيضًا اختبار سيناريو قد يكون فيه Capotauro قزمًا بنيًا على حافة درب التبانة، إلى جانب مجموعة من الاحتمالات الأخرى، مثل أن يكون الجسم كوكبًا خارجيًا غريبًا أو مجرة شابة غير عادية للغاية.

على الرغم من أن النتائج لم تكن حاسمة، حدد الفريق الخيارين الأكثر احتمالًا.

إحدى الاحتمالات هي أن Capotauro تشكلت بعد حوالي 100 مليون سنة من الانفجار العظيم، مما يدفع عمر أقدم مجرة معروفة إلى الوراء بحوالي 200 مليون سنة. الاحتمال الآخر هو أن Capotauro قزم بني غير عادي، وهو الأبرد والأبعد في مجرتنا.

كلاهما احتمالان “مثيران جدًا” حيث سيتحديان ما كنا نعتقد أننا نعرفه عن مجرتنا وكيفية تطورها، وفقًا لكاتب الدراسة المشارك جيوفاني غاندولفي، الفيزيائي الفلكي في INAF.

في ملاحظة جديدة أخرى باستخدام JWST، رصد الفلكيون اكتشفوا خمسة مركبات معقدة كربونية² محاصرة في الجليد حول نجم خارج درب التبانة.

المركبات العضوية تم اكتشافها حول نجمة أولية في مجرة قزمة، Large Magellanic Cloud, التي تقع على بعد 160,000 سنة ضوئية من الأرض وتدور بالقرب من مجرتنا. هذه المجرة الصغيرة مليئة بالنجوم الساخنة والمضيئة وتحتوي على عناصر أثقل من الهيليوم أقل من تلك الموجودة في درب التبانة. من خلال فهم هذه المجرة، يهدف الفلكيون إلى تطبيق ذلك على فهم المجرات الأبعد من زمن كان فيه الكون أصغر بكثير.

تخبرنا الظروف القاسية أكثر عن كيفية حدوث الكيمياء العضوية المعقدة في هذه البيئات البدائية حيث تتوفر عناصر ثقيلة أقل مثل الكربون والنيتروجين والأكسجين للتفاعلات الكيميائية.

– كاتبة الدراسة المشاركة مارتا سيفيلو، عالمة فلك في جامعة ماريلاند ومركز غودارد للفضاء التابع لناسا

وجه الباحثون ويب نحو ST6، نجمًا متطورًا في Large Magellanic Cloud، وبمساعدة أدوات تقيس الضوء تحت الأحمر، وجدوا الجزيئات المعقدة التالية في الجليد حوله: الميثانول، الإيثانول، الأسيتالدهيد، حمض الخليك، والميثيل فورمات.

من بين هذه، الميثانول هو الوحيد الذي تم “اكتشافه بشكل قاطع” في النجوم الأولية، مما يجعل الملاحظات الجديدة “استثنائية”.

حتى أن الباحثين وجدوا إشارات قد تكون ناتجة عن الجليكول ألدهيد، الذي يمكن أن يتفاعل مع جزيئات أخرى لتكوين الريبوز، نوع من السكر الذي يُعد مكوّنًا مهمًا للحمض الريبي النووي (RNA)، وهو أساسي للحياة.

انقر هنا لتتعرف على كيفية بناء الليزر والطباعة ثلاثية الأبعاد لمستقبلنا في الفضاء.

AMIGO: المعايرة بالذكاء الاصطناعي التي حسّنت وضوح NIRISS-AMI لتلسكوب JWST

اسحب للتمرير →

مع كل هذه الاكتشافات التي جاءت من ويب، أدرك باحثا دكتوراه في جامعة سيدني، ماكس تشارلز ولويس ديسدوغتس، أنهما يمكنهما جعل التلسكوب أكثر فاعلية. قام برنامجهما المدفوع بالذكاء الاصطناعي بتصحيح التشويش في صور ويب من الأرض دون الحاجة إلى مهمات إصلاح مكلفة في الفضاء.

المشكلة التي حلّوها كانت في مقاييس تداخل القناع الفتحة (AMI)، وهو المكوّن الوحيد المصمم في أستراليا في التلسكوب. يُعد AMI على أداة NIRISS أعلى مقاييس تداخل تحت الأحمر دقةً تم وضعه في الفضاء على الإطلاق. يسمح للباحثين بأخذ صور عالية الدقة للنجوم والكواكب خارج نظامنا الشمسي من خلال دمج الضوء من أقسام مختلفة من المرآة الرئيسية لتلسكوب ويب.

لكن عندما بدأ التلسكوب عملياته، تأثرت أداء AMI بتشوهات إلكترونية في كاشف الكاميرا تحت الحمراء. مع هجرة الشحنة، أو ما يُعرف بـ Brighter-Fatter Effect، التي حدّت من أداء AMI، عانت الصور التي التقطها التلسكوب من ضبابية طفيفة.

واجهت التلسكوبات الفضائية عيوب بصرية مماثلة من قبل. كان لتلسكوب هابل مشكلة مشابهة في التسعينيات بسبب خطأ في تباعد العدسات. كان مرآةه الرئيسية ذات شكل غير صحيح، عيب يُسمى الانحراف الكروي، مما جعل للمرآة الأساسية أكثر من نقطة تركيز واحدة، مما جعل صوره ضبابية.

لإعادة تركيز البيانات الضبابية، أعادت ناسا تصميم الكاميرا الواسعة المجال والكوكبية 2 (WFPC2) وطوّرت حزمة أدوات استبدال المحور البصري لتلسكوب هابل (COSTAR)، التي كان حجمها كحجم ثلاجة كبيرة وعملت كزوج من النظارات لكاميرا الأجسام الضعيفة (FOC)، ومطياف الدقة العالية في غودارد (GHRS)، ومطياف الأجسام الضعيفة (FOS). تم تركيب كل من WFPC2 وCOSTAR من قبل رواد الفضاء خلال أول مهمة صيانة لهابل في أواخر 1993.

هذه المرة، بدلاً من إرسال رواد الفضاء لإجراء إصلاحات مادية، أنشأ الباحثون طريقة معايرة قائمة على البرمجيات هنا على الأرض. طور تشارلز وديسدوغتس (الذي يعمل الآن كباحث ما بعد الدكتوراه في جامعة لايدن بهولندا) ما أسموه مقاييس تداخل القناع الفتحة المولدة للملاحظات، أو AMIGO³.

AMIGO هو إطار عمل مفتوح المصدر للمعايرة “يقوم بنمذجة أمامية للنظام الكامل لـ JWST AMI – بما في ذلك بُعدياته، فيزياء الكاشف، وإلكترونيات القراءة – باستخدام بنية قابلة للتفاضل من الطرف إلى الطرف مُنفذة في إطار Jax وتستغل بشكل خاص حزمة النمذجة البصرية dLux.”

يستخدم الشبكات العصبية والمحاكاة المتقدمة لتقليد كيفية عمل بُعديات ويب وإلكترونياته في الفضاء. لتصميم خوارزمياتهم لتصحيح الصور رقمياً، حدد الباحثون المشكلة حيث تنتشر الشحنة الكهربائية إلى البكسلات المجاورة.

بهذه الطريقة، “تمكّنوا من إصلاح الأمور بالكود” بدلاً من “إرسال رواد الفضاء لتثبيت أجزاء جديدة”، قال البروفيسور بيتر توثيل من كلية الفيزياء بمعهد سيدني للفضاء، الذي أنشأ AMI وعمل على الحل. “إنه مثال رائع على كيف يمكن للابتكار الأسترالي أن يحدث تأثيرًا عالميًا في علم الفضاء.”

بمساعدة AMIGO، قدم ويب صورًا واضحة وأكثر حدة، ملتقطًا أجسامًا سماوية غامضة بتفاصيل دقيقة.

لاختبار مدى فعالية AMIGO، قاد تشارلز دراسة منفصلة⁴، حيث، باستخدام المعايرة المحسّنة، أنتج ويب صورًا واضحة لبراكين على قمر المشتري إيو، نفث ثقب أسود، ورياح مليئة بالغبار من WR 137.

“هذا العمل يجلب رؤية JWST إلى تركيز أكثر حدة”، قال الدكتورة ديسدوغتس. “إنه أمر مُجزي للغاية أن نرى حلًا برمجيًا يوسّع النطاق العلمي للتلسكوب – وأن نعلم أن ذلك كان ممكنًا دون مغادرة المختبر أبداً.”

الاستثمار في تكنولوجيا الفضاء

في مجال تكنولوجيا الفضاء، Northrop Grumman (NOC ) هو الاسم الرائد، والذي كان المتعهد الرئيسي لتلسكوب جيمس ويب الفضائي.

بالإضافة إلى المساهمة في بناء JWST، طورت الشركة العديد من تقنيات الفضاء الكبرى الأخرى، بما في ذلك مركبة سيجنوس، وهي مركبة إمداد شحن لمحطة الفضاء الدولية (ISS)، صاروخ أنتايرس لمهام سيجنوس، صاروخ بيغاسوس المُطلق جواً، مركبة تمديد المهمة (MEV) للالتحام بالأقمار الصناعية لتمديد عمرها التشغيلي، وHALO لبرنامج أرتميس.

باعتبارها شركة تكنولوجيا طيران ودفاع، تطور Northrop Grumman أيضًا أنظمة الطائرات العسكرية، والأسلحة التكتيكية المتقدمة، وحلول الدفاع الصاروخي للوكالات الحكومية الأمريكية والعملاء الدوليين. علاوة على ذلك، توفر أنظمة القيادة والتحكم والاتصالات والاستطلاع.

مؤخرًا، وقعت الشركة صفقة مع شركة الذكاء الاصطناعي الناشئة Luminary Cloud لتسريع تصميم المركبات الفضائية المدعوم بالذكاء الاصطناعي.

طورت الشركة الناشئة نموذج ذكاء اصطناعي، مدعومًا بـ PhysicsNeMo من NVIDIA، للمتعاقد الدفاعي لتصميم وبناء مركبات فضائية جديدة بسرعة أكبر. مع الشراكة، سيحصل المهندسون على أداة مخصصة تسمى Physics AI يمكنها توليد محاكاة عالية الدقة للأنظمة الفرعية في ثوانٍ معدودة، بدلاً من الـ 12 ساعة المعتادة التي قد تستغرقها محاكاة الديناميكا الحرارية الحاسوبية لإنتاج محاكاة واحدة. إنها حاليًا مخصصة لتصميم فوهات محركات الدفع للمركبات الفضائية.

“Physics AI هو المستوى التالي من التعقيد في الذكاء الاصطناعي، وتقوم Northrop Grumman بجلب هذه التقنية إلى مهندسي التصميم لدينا لتسريع تطوير الأجهزة بشكل كبير. استخدام الذكاء الاصطناعي لصنع شيء صغير، مثل محرك دفع مركبة فضائية، يضعنا على طريق للقيام بأشياء أكبر بكثير، مثل استخدام الذكاء الاصطناعي لتصميم مكونات أكبر أو حتى مركبة فضائية كاملة.”

– هان بارك، نائب رئيس دمج الذكاء الاصطناعي في Northrop Grumman Space Systems

لبناء نماذج يمكنها توليد تصاميم جديدة لتوقع العالم الفيزيائي، لم تستخدم الشركة الناشئة البيانات المتاحة على الإنترنت بل استخدمت قوانين الفيزياء لإنشاء تصاميم للمركبات الفضائية.

“نعوض نقص البيانات بحقيقة أننا لا نحاول توقع ما إذا كانت تلك الصورة أو مجموعة البكسلات قطًا أو كلبًا أو فيلًا. بل نحاول توقع ما إذا كان تدفق الهواء يتبع طريقة معينة تلتزم ببعض المبادئ الفيزيائية.”

– قال كبير التقنية في Luminary Cloud، خوان ألونسو

الآن، عندما يتعلق الأمر بأداء الشركة في السوق، في وقت كتابة هذا المقال، تبلغ القيمة السوقية 85 مليار دولار وأسهم Northrop Grumman تتداول بحوالي 595 دولارًا، بارتفاع 26.8% هذا العام. في وقت سابق من هذا الشهر، وصلت أسهم NOC إلى أعلى مستوى لها على الإطلاق (ATH) عند 640.90 دولار.