Australsk PhD‑team bruger AI til at genskabe James Webbs klarhed

Kosmos er dyb og enorm. Den er uhyggeligt smuk og fuld af mystik. At forstå dette univers er nøglen til at forstå vores egen oprindelse og plads i det.

For at hjælpe med dette har forskere bygget James Webb Space Telescope (JWST), et kraftfuldt værktøj designet til at indfange lys fra de første galakser og afsløre, hvordan vores verden blev til. Det er det største rumteleskop, hvilket muliggør studiet af astronomiske objekter ved hjælp af infrarød stråling.

Denne form for lys har længere bølgelængder end synligt lys, og det kan trænge igennem kosmiske støvskyer, der blokerer synligt lys. Og fordi Webb observerer længere bølgelængder, kræver det et stort indsamlingsoverflade for at opnå høj opløsning.

Webbs hovedspejl består af 18 sekskantede spejlsegmenter lavet af guldbelagt beryllium, som danner et spejl med en diameter på 6,5 meter. Dette store spejl, kombineret med højopløsnings‑ og højfølsomhedsinstrumenter, gør det muligt for Webb at opdage objekter langt fjernere end tidligere rumteleskoper kunne.

For at gøre disse observationer mulige, skal Webb holdes ved ekstremt lave temperaturer, under 50 K (−370 °F; −223 °C). Dette forhindrer teleskopets egen varme i at forstyrre de svage infrarøde signaler, det forsøger at indfange. Et flerlaget solskjold beskytter teleskopet mod eksterne varmekilder som Solen, Månen og Jorden.

Med disse kraftfulde instrumenter har Webb gjort undersøgelser inden for forskellige felter af astronomi og kosmologi mulige, herunder observation af de første stjerner, dannelsen af de første galakser og detaljeret atmosfæreforskning af potentielt beboelige exoplaneter.

Dog har nogle nylige billeder fra Webb været ret slørede på grund af forvrængninger i et af dets nøgleinstrumenter. For at løse dette problem vendte to PhD‑forskere ved University of Sydney, Max Charles og Louis Desdoigts, sig mod AI. Imponerende nok gjorde de det fra Jorden uden nogen hardware‑relaterede ændringer.

Men hvorfor betyder dette noget? Hvad har Webb fundet derude, som gør skarpere billeder så vigtige? Lad os tage et kig.

James Webb‑rumteleskop: Overraskelser fra det tidlige univers

Siden den gik i drift, har Webb fundet galakser med kompleks struktur og sorte huller, da universet stadig var meget ungt, hvilket udfordrer, hvad vi vidste om, hvor hurtigt de første galakser kunne dannes og vokse.

Webb har afsløret klare atmosfæriske signaturer — herunder metan, kuldioxid, svovldioxid, ammoniak og endda hydrogensulfid — på flere verdener. Nogle af disse molekyler havde kun foreløbig evidens (eller ingen) før JWST; Webb leverede de første entydige påvisninger i flere tilfælde, hvilket dramatisk fremmer eksoplanetkemi.

Teleskopet har observeret fænomener såsom Jupiters auroraer og karakteriseret små legemer indlejret i asteroidebæltet mellem Jupiter og Mars, som er svære for andre teleskoper at opdage, demonstrerende JWST’s fleksibilitet. Flere massive sorte huller er også blevet opdaget af teleskopet.

Med disse og mange flere opdagelser har JWST leveret på sit løfte. Det viser os, at det tidlige univers er meget mere aktivt og komplekst, end vi troede, det skulle være. Dens kraft hjælper os yderligere med at gå ud over vores galakse og solsystem med mere detaljeret og præcis indsigt i kosmos’ natur.

Senest har astronomer opdaget¹ “en af de mest forvirrende opdagelser” til dato, mens de gennemgik billederne fra Webb.

Disse meget lyse og forvirrende objekter kunne være den tidligste kendte galakse i universet, der opstod 100 millioner år efter Big Bang, eller de kan være en brun dværg, også kendt som en mislykket stjerne, som er større end de største gasgiganter, men ikke stor nok til at opretholde kernefusion i sin kerne. Den præcise identitet af Capotauro forbliver usikker, men den er bestemt “interessant og lovende”.

Capotauro blev opdaget af et team af astrofysikere ved National Institute of Astrophysics i Italien i en tidligere undersøgelse, da de forsøgte at identificere gamle galakser i JWST‑observationer. Manglen på finmasket data gjorde det imidlertid umuligt for dem at specificere dens identitet. Men så frigav JWST mere data om Capotauro tidligere i år, hvilket hjalp teamet med at indsnævre, hvad det kunne være.

Teamet brugte billederne taget af JWST’s Near Infrared Camera (NIRCam) ved syv bølgelængder til at måle Capotauros lysstyrke og begrænsede men mere finmasket data fra JWST’s Near Infrared Spectrograph (NIRSpec) for at få en idé om dens alder og temperatur.

Data fra NIRCam og NIRSpec blev kombineret, og derefter blev modeller brugt til at teste tre mulige galaksekonfigurationer. Et scenarie, hvor Capotauro kunne være en brun dværg på den ydre kant af Mælkevejen, blev også testet, sammen med en række andre muligheder, såsom at objektet er en mærkelig exoplanet eller en meget usædvanlig ung galakse.

Selvom resultaterne var inkonklusive, har teamet identificeret de to mest sandsynlige muligheder.

En mulighed er, at Capotauro blev dannet omkring 100 millioner år efter Big Bang, hvilket skubber alderen på den ældste kendte galakse tilbage med omkring 200 millioner år. Den anden mulighed er, at Capotauro er en usædvanlig brun dværg, som er den koldeste og fjerneste i vores galakse.

Begge er “meget spændende” muligheder, da de vil udfordre, hvad vi troede, vi vidste om vores galakse og hvordan den udvikler sig, sagde studiets medforfatter Giovanni Gandolfi, en astrofysiker ved INAF.

I en anden ny observation med JWST har astronomer opdaget fem kulstofbaserede komplekse forbindelser² fanget i isen omkring en stjerne uden for Mælkevejen.

De organiske molekyler er blevet påvist omkring en protostjerne i en dværggalakse, den Store Magellanske Sky, som ligger 160 000 lysår fra Jorden og kredser tæt på vores galakse. Denne lille galakse er fyldt med varme, lysstærke stjerner og har færre tunge grundstoffer end helium end Mælkevejen. Ved at forstå denne galakse håber astronomerne at anvende denne viden til at forstå mere fjerne galakser fra en tid, hvor universet var meget yngre.

“De barske forhold fortæller os mere om, hvordan kompleks organisk kemi kan forekomme i disse primitive miljøer, hvor langt færre tunge grundstoffer som kulstof, nitrogen og oxygen er tilgængelige for kemiske reaktioner.”

– Studiets medforfatter Marta Sewilo, astronom ved University of Maryland og NASA’s Goddard Space Flight Center

Forskerne rettede Webb mod ST6, en udviklende stjerne i den Store Magellanske Sky, og med hjælp fra værktøjer, der måler infrarødt lys, fandt de følgende komplekse molekyler i isen omkring den: methanol, ethanol, acetaldehyd, eddikesyre og methylformiat.

Ud af disse er methanol det eneste, der er blevet “entydigt påvist” i protostjerner, hvilket gør de nye observationer “ekseptionelle”.

Forskerne fandt endda signaler, der kan være forårsaget af glycolaldehyd, som kan reagere med andre molekyler for at danne ribose, en type sukker, der er en vigtig komponent i ribonukleinsyre (RNA), som er essentiel for liv.

Klik her for at lære, hvordan laser & 3D‑printning vil bygge vores fremtid i rummet.

AMIGO: AI‑kalibreringen der skærpede JWST’s NIRISS‑AMI

Swipe to scroll →

Med alle disse opdagelser fra Webb indså to PhD‑forskere ved University of Sydney, Max Charles og Louis Desdoigts, at de kunne gøre teleskopet endnu mere effektivt. Deres AI‑drevede software korrigerede sløringen i Webbs billeder fra Jorden uden at kræve dyre rumreparationsmissioner.

Problemet, de løste, var i Aperture Masking Interferometer (AMI), teleskopets eneste australsk‑designede komponent. AMI på NIRISS‑instrumentet er den højeste opløsning infrarøde interferometer, der nogensinde er placeret i rummet. Det giver astronomer mulighed for at tage højopløsningsbilleder af stjerner og planeter uden for vores solsystem ved at kombinere lys fra forskellige sektioner af Webbs hovedspejl.

Men da teleskopet begyndte driften, blev AMIs ydeevne påvirket af elektroniske forvrængninger i dets infrarøde kameradetektor. Med ladningsmigration, eller Brighter‑Fatter‑Effect, som begrænsede AMIs ydeevne, led billederne fanget af teleskopet af en subtil sløring.

Rumteleskoper har tidligere stået over for lignende optiske fejl. Hubble havde et tilsvarende problem i 1990’erne på grund af en linseafstandsforskel. Dets hovedspejl havde den forkerte form, en fejl kaldet sfærisk aberration, som forårsagede, at teleskopets primære spejl havde mere end ét brændpunkt, hvilket gjorde billederne slørede.

For at bringe de slørede data i fokus redesignede NASA Wide Field and Planetary Camera 2 (WFPC2) og udviklede Hubbles Corrective Optics Space Telescope Axial Replacement (COSTAR) instrumentpakke, som var på størrelse med et stort køleskab og fungerede som et par briller for Hubbles Faint Object Camera (FOC), Goddard High Resolution Spectrograph (GHRS) og Faint Object Spectrograph (FOS). Både WFPC2 og COSTAR blev installeret af astronauter under Hubbles første servicemission i slutningen af 1993.

Denne gang, i stedet for at sende astronauter for at foretage fysiske reparationer, skabte forskerne en softwarebaseret kalibreringsmetode her på Jorden. Charles og Desdoigts (som nu er postdoktorforsker ved Leiden University i Holland) udviklede det, de kaldte Aperture Masking Interferometry Generative Observations, eller AMIGO³.

AMIGO er et open‑source kalibreringsrammeværk “der fremadmodellerer hele JWST AMI‑systemet — inklusive dets optik, detektorfysik og læse‑elektronik — ved brug af en end‑to‑end differentierbar arkitektur implementeret i Jax‑rammen og især udnytter dLux‑optisk modelleringspakke.”

Den bruger neurale netværk og avancerede simulationer til at efterligne, hvordan Webbs optik og elektronik fungerer i rummet. For at designe deres algoritmer til digitalt at korrigere billederne identificerede forskerne problemet, hvor den elektriske ladning spreder sig til tilstødende pixels.

På denne måde “lykkedes det dem at løse tingene med kode” i stedet for “at sende astronauter for at skrue nye dele på”, sagde professor Peter Tuthill fra University of Sydney’s School of Physics og Sydney Institute for Astronomy, som skabte AMI og arbejdede på løsningen. “Det er et strålende eksempel på, hvordan australsk innovation kan have global indflydelse inden for rumvidenskab.”

Med hjælp fra AMIGO leverede Webb klare og skarpere billeder, der fangede obskure himmellegemer i præcis detalje.

For at teste, hvor effektiv AMIGO er, ledte Charles en separat undersøgelse⁴, hvor Webb, ved brug af den forbedrede kalibrering, producerede klare billeder af vulkaner på Jupiters måne Io, en sort hul‑jet og de støvfyldte vinde fra WR 137.

“Dette arbejde bringer JWST’s vision i endnu skarpere fokus,” sagde Dr. Desdoigts. “Det er utroligt givende at se en softwareløsning udvide teleskopets videnskabelige rækkevidde — og at vide, at det var muligt uden nogensinde at forlade laboratoriet.”

Investering i rumteknologi

I rummeteknologiens verden er Northrop Grumman (NOC ) det førende navn, som var hovedentreprenøren for James Webb Space Telescope.

Ud over at hjælpe med at bygge JWST har virksomheden udviklet mange andre store rumteknologier, herunder Cygnus‑rumfartøj, som er et fragtforsyningskøretøj til den Internationale Rumstation (ISS), Antares‑raketten til Cygnus‑missioner, luftløst Pegasus‑raket, Mission Extension Vehicle (MEV) til dokning med satellitter for at forlænge deres driftstid, og HALO til Artemis‑programmet.

Som en rum‑ og forsvarsteknologivirksomhed udvikler Northrop Grumman også militære flysystemer, avancerede taktiske våben og missilforsvarsløsninger for amerikanske regeringsagenturer og internationale kunder. Derudover leverer den kommando‑, kontrol‑, kommunikations‑ og rekognosceringssystemer.

For nylig har virksomheden indgået en aftale med AI‑startupten Luminary Cloud om accelereret, AI‑drevet rumfartøjsdesign. 

Startup’en har udviklet en AI‑model, drevet af NVIDIA’s PhysicsNeMo, til forsvarsentreprenøren for at designe og bygge nye rumfartøjer hurtigere. Med partnerskabet får ingeniører adgang til dette specialbyggede værktøj kaldet Physics AI, som kan generere højpræcise simuleringer af delsystemer på få sekunder, i stedet for de almindelige 12 timer, det kan tage med beregningsfluiddynamik‑simuleringer for kun at producere én simulering. Det er i øjeblikket tilpasset til design af rumfartøjs‑thruster‑dyser.

“Physics AI er det næste niveau af kompleksitet i AI, og Northrop Grumman bringer denne teknologi til vores designingeniører for dramatisk at fremskynde hardwareudviklingen. Ved at bruge AI til at lave noget lille, som en rumfartøjs‑thruster, sætter det os på en vej til at gøre meget større ting, som at bruge AI til at designe større komponenter eller endda et helt rumfartøj.”

– Han Park, vicepræsident for AI‑integration hos Northrop Grumman Space Systems

For at bygge modeller, der kan generere nye designs til at forudsige den fysiske verden, brugte startup’en ikke data tilgængelige på internettet men i stedet de fysiske love til at skabe rumfartøjsdesign.

“Vi kompenserer for manglen på data ved, at vi ikke forsøger at forudsige, om billedet eller pixel‑sættet er en kat, hund eller elefant. I stedet forsøger vi at forudsige, om luftstrømmen bevæger sig på en bestemt måde, der overholder fysiske principper.”

– sagde Luminary Clouds CTO, Juan Alonso

Nu, når det kommer til virksomhedens markedspræstation, er den per skrivende stund 85 milliarder dollars i markedsværdi, Northrop Grummans aktier handles til omkring 595 dollars, op 26,8% i år. Tidligt denne måned nåede NOC‑aktierne en rekordhøj (ATH) på 640,90 dollars.