Αυστραλιανή Ομάδα Διδακτορικών Φοιτητών Χρησιμοποιεί AI για την Αποκατάσταση της Καθαρότητας του James Webb

Το σύμπαν είναι βαθύ και τεράστιο. Είναι συναρπαστικά όμορφο και γεμάτο μυστήριο. Η κατανόηση αυτού του σύμπαντος είναι το κλειδί για την κατανόηση των δικών μας προελεύσεων και της θέσης μας μέσα σε αυτό.

Για να το επιτύχουν, οι επιστήμονες έχουν κατασκευάσει το Διαστημικό Τηλεσκόπιο James Webb (JWST), ένα ισχυρό εργαλείο σχεδιασμένο να συλλαμβάνει το φως από τις πρώτες γαλαξίες και να αποκαλύπτει πώς δημιουργήθηκε ο κόσμος μας. Είναι το μεγαλύτερο τηλεσκόπιο στο διάστημα, επιτρέποντας τη μελέτη αστρονομικών αντικειμένων με τη χρήση υπέρυθρης ακτινοβολίας.

Αυτή η μορφή φωτός έχει μεγαλύτερα μήκη κύματος από το ορατό φως και μπορεί να διαπεράσει τα κοσμικά σύννεφα σκόνης που μπλοκάρουν το ορατό φως. Και επειδή το Webb παρατηρεί σε μεγαλύτερα μήκη κύματος, χρειάζεται μεγάλη επιφάνεια συλλογής για να επιτύχει υψηλή ανάλυση.

Ο κύριος καθρέφτης του Webb αποτελείται από 18 εξάγωνα τμήματα καθρέφτη κατασκευασμένα από χρυσό-επικαλυμμένο βηρύλιο, σχηματίζοντας έναν καθρέφτη διαμέτρου 6,5 μέτρων. Αυτός ο μεγάλος καθρέφτης, σε συνδυασμό με όργανα υψηλής ανάλυσης και ευαισθησίας, επιτρέπει στο Webb να ανιχνεύει αντικείμενα πολύ πιο μακριά από ό,τι μπορούσαν τα προηγούμενα διαστημικά τηλεσκόπια.

Για να είναι δυνατές αυτές οι παρατηρήσεις, το Webb πρέπει να διατηρείται σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες, κάτω από 50 K (−370 °F·−223 °C). Αυτό αποτρέπει τη θερμότητα του τηλεσκοπίου να παρεμβαίνει στα αδύναμα υπέρυθρα σήματα που προσπαθεί να συλλάβει. Ένα πολυεπίπεδο ηλιακό σκίασμα προστατεύει το τηλεσκόπιο από εξωτερικές πηγές θερμότητας όπως ο Ήλιος, η Σελήνη και η Γη.

Με αυτά τα ισχυρά όργανα, το Webb έχει επιτρέψει ερευνες σε διάφορους τομείς της αστρονομίας και της κοσμολογίας, συμπεριλαμβανομένης της παρατήρησης των πρώτων άστρων, του σχηματισμού των πρώτων γαλαξιών και της λεπτομερούς ατμοσφαιρικής επιστήμης πιθανών κατοικήσιμων εξωπλανητών.

Ωστόσο, ορισμένες πρόσφατες εικόνες από το Webb ήταν αρκετά θολές λόγω παραμορφώσεων σε ένα από τα βασικά του όργανα. Για να λύσουν το πρόβλημα, δύο διδακτορικοί ερευνητές του Πανεπιστημίου του Σίδνεϊ, ο Max Charles και ο Louis Desdoigts, στράφηκαν στην τεχνητή νοημοσύνη. Εντυπωσιακά, το έκαναν από τη Γη χωρίς καμία αλλαγή στο υλικό.

Αλλά γιατί είναι σημαντικό αυτό; Τι έχει ανακαλύψει το Webb εκεί που καθιστά τις πιο καθαρές εικόνες τόσο σημαντικές; Ας ρίξουμε μια ματιά.

Διαστημικό Τηλεσκόπιο James Webb: Εκπλήξεις από το Πρώιμο Σύμπαν

Από τη στιγμή που έγινε λειτουργικό, το Webb έχει εντοπίσει γαλαξίες με πολύπλοκη δομή και μαύρες τρύπες όταν το σύμπαν ήταν ακόμη πολύ νεαρό, αμφισβητώντας ό,τι γνωρίζαμε για το πόσο γρήγορα μπορούσαν να σχηματιστούν και να αναπτυχθούν οι πρώτοι γαλαξίες.

Το Webb απέδειξε σαφείς ατμοσφαιρικές υπογραφές — συμπεριλαμβανομένου του μεθανίου, του διοξειδίου του άνθρακα, του διοξειδίου του θείου, του αμμωνίας και ακόμη του υδροθειούχου — σε πολλούς κόσμους. Κάποια από αυτά τα μόρια είχαν μόνο δισταγμένη απόδειξη (ή καθόλου) πριν από το JWST· το Webb παρείχε τις πρώτες αδιαμφισβήτητες ανιχνεύσεις σε αρκετές περιπτώσεις, προωθώντας δραματικά τη χημεία των εξωπλανητών.

Το τηλεσκόπιο έχει παρατηρήσει χαρακτηριστικά όπως τα σέλας του Δία και χαρακτηρισμένα μικρά σώματα ενσωματωμένα στη ζώνη αστεροειδών μεταξύ Δία και Άρη, που είναι δύσκολο για άλλα τηλεσκόπια να εντοπίσουν, αποδεικνύοντας την ευελιξία του JWST. Πολλές τεράστιες μαύρες τρύπες έχουν επίσης ανακαλυφθεί από το τηλεσκόπιο.

Με αυτές και πολλές άλλες ανακαλύψεις, το JWST εκπληρώνει την υπόσχεσή του. Μας δείχνει ότι το πρώιμο σύμπαν είναι πολύ πιο ενεργό και πολύπλοκο από ό,τι πιστεύαμε. Η δύναμή του μας βοηθά επίσης να ξεπεράσουμε το δικό μας γαλαξία και το ηλιακό σύστημα, παρέχοντας πιο λεπτομερείς και ακριβείς γνώσεις για τη φύση του σύμπαντος.

Πρόσφατα, αστρονόμοι ανέβλεψαν¹ «μία από τις πιο αινιγματικές ανακαλύψεις» μέχρι σήμερα ενώ εξέταζαν τις εικόνες από το Webb.

Αυτά τα πολύ φωτεινά και αινιγματικά αντικείμενα θα μπορούσαν να είναι ο πιο πρώιμος γνωστός γαλαξίας στο σύμπαν, που εμφανίστηκε 100 εκατομμύρια χρόνια μετά το Big Bang, ή μπορεί να είναι ένας καφέ νάνος, δηλαδή ένα αποτυχημένο αστέρι, που είναι μεγαλύτερος από τους μεγαλύτερους γιγαντιαίους πλανήτες αλλά δεν είναι αρκετά μεγάλος για να διατηρήσει πυρηνική σύντηξη στον πυρήνα του. Η ακριβής ταυτότητα του Capotauro παραμένει αβέβαιη, αλλά είναι σίγουρα «ενδιαφέρουσα και υποσχόμενη».

Ο Capotauro εντοπίστηκε από μια ομάδα αστροφυσικών στο Εθνικό Ινστιτούτο Αστροφυσικής στην Ιταλία σε προηγούμενη μελέτη, όταν προσπαθούσαν να εντοπίσουν παλιούς γαλαξίες στις παρατηρήσεις του JWST. Η έλλειψη λεπτομερών δεδομένων, ωστόσο, έκανε αδύνατο για αυτούς να καθορίσουν την ταυτότητά του. Αργότερα, το JWST κυκλοφόρησε περισσότερα δεδομένα για τον Capotauro νωρίτερα φέτος, τα οποία βοήθησαν την ομάδα να περιορίσει τι θα μπορούσε να είναι.

Η ομάδα χρησιμοποίησε τις εικόνες που λήφθηκαν από την Κάμερα Κοντινού Υπέρυθρου (NIRCam) του JWST σε επτά μήκη κύματος για να μετρήσει τη φωτεινότητα του Capotauro και περιορισμένα, αλλά πιο λεπτομερή, δεδομένα από το Κοντινό Υπέρυθρο Φασματογράφο (NIRSpec) του JWST για να εκτιμήσει την ηλικία και τη θερμοκρασία του.

Τα δεδομένα από το NIRCam και το NIRSpec συνδυάστηκαν, και στη συνέχεια χρησιμοποιήθηκαν μοντέλα για να δοκιμαστούν τρεις πιθανές διαμορφώσεις γαλαξία. Δοκιμάστηκε επίσης ένα σενάριο όπου ο Capotauro θα μπορούσε να είναι ένας καφέ νάνος στα άκρα του Γαλαξία μας, μαζί με μια σειρά άλλων πιθανών ερμηνειών, όπως το αντικείμενο να είναι ένας ιδιόρρυθμος εξωπλανήτης ή ένας πολύ παράξενος νέος γαλαξίας.

Παρόλο που τα αποτελέσματα ήταν ασαφή, η ομάδα έχει εντοπίσει τις δύο πιο πιθανές επιλογές.

Μία πιθανότητα είναι ότι ο Capotauro σχηματίστηκε περίπου 100 εκατομμύρια χρόνια μετά το Big Bang, γεγονός που μετατοπίζει την ηλικία του παλαιότερου γνωστού γαλαξία πίσω κατά περίπου 200 εκατομμύρια χρόνια. Η άλλη πιθανότητα είναι ότι ο Capotauro είναι ένας ασυνήθιστος καφέ νάνος, ο πιο ψυχρός και πιο απομακρυσμένος στο γαλαξία μας.

Και οι δύο είναι «πολύ συναρπαστικές» πιθανότητες, καθώς θα αμφισβητούσαν ό,τι πιστεύαμε ότι γνωρίζαμε για το γαλαξία μας και την εξέλιξή του, δήλωσε ο συν-συγγραφέας της μελέτης, Giovanni Gandolfi, αστροφυσικός στο INAF.

Σε μια άλλη νέα παρατήρηση με χρήση του JWST, αστρονόμοι έχουν ανακαλύψει πέντε σύνθετες ενώσεις με βάση το άνθρακα² παγιδευμένες στον πάγο γύρω από ένα αστέρι εκτός του Γαλαξία μας.

Τα οργανικά μόρια έχουν ανιχνευθεί γύρω από έναν πρωτοαστέρα σε έναν νάνο γαλαξία, το Μεγάλο Νεφελώδες Σύννεφο, που είναι 160.000 έτη φωτός από τη Γη και περιστρέφεται κοντά στο γαλαξία μας. Αυτός ο μικρός γαλαξίας είναι γεμάτος από ζεστά, λαμπρά αστέρια και έχει λιγότερα στοιχεία βαρύτερα από το ήλιο σε σύγκριση με τον Γαλαξία μας. Με την κατανόηση αυτού του γαλαξία, οι αστρονόμοι επιδιώκουν να το εφαρμόσουν στην κατανόηση πιο απομακρυσμένων γαλαξιών από την εποχή που το σύμπαν ήταν πολύ νεότερο.

«Οι σκληρές συνθήκες μας λένε περισσότερα για το πώς μπορεί να συμβεί πολύπλοκη οργανική χημεία σε αυτά τα πρωτόγονα περιβάλλοντα, όπου είναι διαθέσιμα πολύ λιγότερα βαρέα στοιχεία όπως ο άνθρακας, το άζωτο και το οξυγόνο για χημικές αντιδράσεις.»

– Συ-συγγραφέας της μελέτης Marta Sewilo, αστρονόμος στο Πανεπιστήμιο του Maryland και στο Κέντρο Διαστημικής Πτήσης Goddard της NASA

Οι ερευνητές στράφηκαν με το Webb προς το ST6, ένα αναπτυσσόμενο αστέρι στο Μεγάλο Νεφελώδες Σύννεφο, και με τη βοήθεια εργαλείων που μετρούν το υπέρυθρο φως, βρήκαν τις ακόλουθες σύνθετες μόρια στον πάγο γύρω του: μεθανόλη, αιθανόλη, ακεταλδεΰδη, οξικό οξύ και μεθυλική μορφάτη..

Από αυτά, η μεθανόλη είναι η μόνη που έχει «αποδεικτικά ανιχνευθεί» σε πρωτοαστέρες, κάτι που καθιστά τις νέες παρατηρήσεις «εξαιρετικές».

Οι ερευνητές βρήκαν ακόμη σήματα που μπορεί να προέρχονται από γλυκολαλδεΰδη, η οποία μπορεί να αντιδράσει με άλλα μόρια για να σχηματίσει ριβόζη, έναν τύπο σακχάρου που αποτελεί σημαντικό συστατικό του ριβονουκλεϊκού οξέος (RNA), απαραίτητο για τη ζωή.

Κάντε κλικ εδώ για να μάθετε πώς το laser & 3d printing θα χτίσει το μέλλον μας στο διάστημα.

AMIGO: Η Τεχνητή Νοημοσύνη που Βελτίωσε την Καλιμπράρισμα του NIRISS-AMI του JWST

Σύρετε για κύλιση →

Με όλες αυτές τις ανακαλύψεις από το Webb, δύο διδακτορικοί ερευνητές του Πανεπιστημίου του Σίδνεϊ, ο Max Charles και ο Louis Desdoigts, συνειδητοποίησαν ότι θα μπορούσαν να κάνουν το τηλεσκόπιο ακόμη πιο αποτελεσματικό. Το λογισμικό τους, βασισμένο στην AI, διόρθωσε το θόλωμα στις εικόνες του Webb από τη Γη χωρίς να απαιτούνται δαπανηρές αποστολές επισκευής στο διάστημα.

Το πρόβλημα που έλυσαν βρισκόταν στον Παρεμβολέα Μάσκας Ανοιγμάτων (AMI), το μοναδικό στοιχείο του τηλεσκοπίου σχεδιασμένο στην Αυστραλία. Ο AMI στο όργανο NIRISS είναι ο πιο υψηλής ανάλυσης υπέρυθρος παρεμβολέας που έχει τοποθετηθεί ποτέ στο διάστημα. Επιτρέπει στους αστρονόμους να λαμβάνουν εικόνες υψηλής ανάλυσης από αστέρια και πλανήτες εκτός του ηλιακού μας συστήματος, συνδυάζοντας το φως από διαφορετικές περιοχές του κύριου καθρέφτη του Webb.

Αλλά όταν το τηλεσκόπιο ξεκίνησε τις λειτουργίες του, η απόδοση του AMI επηρεάστηκε από ηλεκτρονικές παραμορφώσεις στον ανιχνευτή της υπέρυθρης κάμερας. Με τη μετακίνηση φορτίου, ή το Φαινόμενο Φωτεινότερου-Πάχους, που περιορίζει την απόδοση του AMI, οι εικόνες που κατέγραψε το τηλεσκόπιο υπέφεραν ήπια θολότητα.

Τα διαστημικά τηλεσκόπια έχουν αντιμετωπίσει παρόμοια οπτικά ελαττώματα στο παρελθόν. Το Hubble είχε ένα παρόμοιο πρόβλημα τη δεκαετία του 90 λόγω σφάλματος στην απόσταση των φακών. Ο κύριος καθρέφτης του είχε λανθασμένο σχήμα, ένα ελάττωμα που ονομάζεται σφαιρική ατέλεια, το οποίο προκάλεσε στον κύριο καθρέφτη του τηλεσκοπίου να έχει περισσότερα από ένα εστιακό σημείο, καθιστώντας τις εικόνες του θολές.

Για να εστιάσει τα θολά δεδομένα, η NASA επανασχεδίασε την Κάμερα Ευρέος Πεδίου και Πλανητικών 2 (WFPC2) και ανέπτυξε το πακέτο οπτικών διορθώσεων του Hubble, το Corrective Optics Space Telescope Axial Replacement (COSTAR), το οποίο είχε το μέγεθος ενός μεγάλου ψυγείου και λειτουργούσε σαν ζευγάρι γυαλιά για την Κάμερα Ασθενών Αντικειμένων (FOC), το Γραφικό Υψηλής Ανάλυσης του Goddard (GHRS) και το Φασματογράφο Ασθενών Αντικειμένων (FOS). Και τα δύο, WFPC2 και COSTAR, εγκαταστάθηκαν από αστροναύτες κατά τη διάρκεια της πρώτης αποστολής συντήρησης του Hubble στα τέλη του 1993.

Αυτή τη φορά, αντί να στείλουν αστροναύτες για φυσικές επισκευές, οι ερευνητές δημιούργησαν μια μέθοδο καλιμπράρισμα βασισμένη σε λογισμικό εδώ στη Γη. Ο Charles και ο Desdoigts (που τώρα είναι μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Πανεπιστήμιο Leiden στην Ολλανδία) ανέπτυξαν αυτό που ονόμασαν Aperture Masking Interferometry Generative Observations, ή AMIGO³.

Το AMIGO είναι ένα ανοιχτού κώδικα πλαίσιο καλιμπράρισμα «που μοντελοποιεί προωθητικά ολόκληρο το σύστημα JWST AMI – συμπεριλαμβανομένων των οπτικών του, της φυσικής του ανιχνευτή και της ηλεκτρονικής ανάγνωσης – χρησιμοποιώντας μια διαφορική αρχιτεκτονική άκρης-προς-άκρη υλοποιημένη στο πλαίσιο Jax και ειδικά αξιοποιώντας το πακέτο οπτικής μοντελοποίησης dLux».

Χρησιμοποιεί νευρωνικά δίκτυα και προηγμένες προσομοιώσεις για να αναπαράγει πώς λειτουργούν τα οπτικά και η ηλεκτρονική του Webb στο διάστημα. Για να σχεδιάσουν τους αλγόριθμούς τους για ψηφιακή διόρθωση των εικόνων, οι ερευνητές εντόπισαν το πρόβλημα όπου το ηλεκτρικό φορτίο διαστέλλεται σε γειτονικά pixel.

Με αυτόν τον τρόπο, «κατάφεραν να διορθώσουν τα πράγματα με κώδικα» αντί «να στείλουν αστροναύτες να βιδώσουν νέα εξαρτήματα», δήλωσε ο καθηγητής Peter Tuthill από τη Σχολή Φυσικής του Πανεπιστημίου του Σίδνεϊ και το Sydney Institute for Astronomy, ο οποίος δημιούργησε τον AMI και εργάστηκε στη λύση. «Είναι ένα λαμπρό παράδειγμα του πώς η αυστραλιανή καινοτομία μπορεί να έχει παγκόσμια επίδραση στην επιστήμη του διαστήματος.»

Με τη βοήθεια του AMIGO, το Webb παρείχε καθαρές και πιο οξείες εικόνες, καταγράφοντας ασαφή ουράνια αντικείμενα με ακριβή λεπτομέρεια.

Για να δοκιμάσουν πόσο αποτελεσματικό είναι το AMIGO, ο Charles ηγήθηκε μιας ξεχωριστής μελέτης⁴, όπου, χρησιμοποιώντας την βελτιωμένη καλιμπράρισμα, το Webb παρήγαγε καθαρές εικόνες των ηφαιστείων στη σελήνη Ιώ του Δία, ενός ρεύματος μαύρης τρύπας και των αερίων γεμάτων σκόνης του WR 137.

«Αυτή η εργασία φέρνει το όραμα του JWST σε ακόμη πιο οξυμένη εστίαση», δήλωσε η Δρ. Desdoigts. «Είναι εξαιρετικά ικανοποιητικό να βλέπουμε μια λογισμική λύση να επεκτείνει την επιστημονική εμβέλεια του τηλεσκοπίου – και να ξέρουμε ότι ήταν δυνατόν χωρίς ποτέ να φύγουμε από το εργαστήριο.»

Επένδυση στην Διαστημική Τεχνολογία

Στον τομέα της διαστημικής τεχνολογίας, η Northrop Grumman (NOC ) είναι το κορυφαίο όνομα, το οποίο ήταν ο κύριος εργολάβος για το Διαστημικό Τηλεσκόπιο James Webb.

Εκτός από τη βοήθεια στην κατασκευή του JWST, η εταιρεία έχει αναπτύξει πολλές άλλες σημαντικές διαστημικές τεχνολογίες, όπως το διαστημικό σκάφος Cygnus, που είναι όχημα μεταφοράς φορτίου για το Διεθνές Διαστημικό Σταθμό (ISS), η πύραυλος Antares για αποστολές Cygnus, η αεροπορικά εκτοξευόμενη πύραυλος Pegasus, το Όχημα Επέκτασης Αποστολής (MEV) για προσάρτηση σε δορυφόρους ώστε να παρατείνει τη λειτουργική τους ζωή, και το HALO για το πρόγραμμα Artemis.

Ως εταιρεία αεροδιαστημικής και αμυντικής τεχνολογίας, η Northrop Grumman αναπτύσσει επίσης συστήματα στρατιωτικών αεροσκαφών, προηγμένα τακτικά όπλα και λύσεις αντιαεροπορικής άμυνας για αμερικανικές κυβερνητικές υπηρεσίες και διεθνείς πελάτες. Επιπλέον, παρέχει συστήματα διοίκησης, ελέγχου, επικοινωνίας και αναγνώρισης.

Πρόσφατα, η εταιρεία υπέγραψε συμφωνία με την νεοσύστατη εταιρεία AI Luminary Cloud για επιταχυμένο σχεδιασμό διαστημικών σκαφών με δυνατότητα AI.

Η νεοσύστατη εταιρεία έχει αναπτύξει ένα μοντέλο AI, τροφοδοτούμενο από το PhysicsNeMo της NVIDIA , για τον αμυντικό εργολάβο ώστε να σχεδιάζει και να κατασκευάζει νέα διαστημικά σκάφη πιο γρήγορα. Με τη συνεργασία, οι μηχανικοί θα έχουν πρόσβαση σε αυτό το ειδικά σχεδιασμένο εργαλείο που ονομάζεται Physics AI, το οποίο μπορεί να δημιουργήσει προσομοιώσεις υψηλής πιστότητας υποσυστημάτων σε ελάχιστα δευτερόλεπτα, αντί για τις συνήθεις 12 ώρες που απαιτούνται με προσομοιώσεις υπολογιστικής ρευστοδυναμικής για την παραγωγή μιας μόνο προσομοίωσης. Αυτή τη στιγμή είναι προσαρμοσμένο για το σχεδιασμό ακροφυσίων διαστημικών προωθητών.

«Το Physics AI είναι το επόμενο επίπεδο πολυπλοκότητας στην AI, και η Northrop Grumman φέρνει αυτήν την τεχνολογία στους μηχανικούς σχεδίασής μας για να επιταχύνει δραματικά την ανάπτυξη υλικού. Η χρήση AI για τη δημιουργία κάτι μικρού, όπως ένας προωθητής διαστημικού σκάφους, μας θέτει σε μια πορεία για να κάνουμε πολύ μεγαλύτερα πράγματα, όπως η χρήση AI για το σχεδιασμό μεγαλύτερων εξαρτημάτων ή ακόμη και ολόκληρου διαστημικού σκάφους.»

– Han Park, αντιπρόεδρος ενσωμάτωσης AI στη Northrop Grumman Space Systems

Για να δημιουργήσουν μοντέλα που μπορούν να παράγουν νέα σχέδια για την πρόβλεψη του φυσικού κόσμου, η νεοσύστατη εταιρεία δεν χρησιμοποίησε τα δεδομένα που είναι διαθέσιμα στο διαδίκτυο, αλλά αντ’ αυτού χρησιμοποίησε τους νόμους της φυσικής για να δημιουργήσει σχέδια διαστημικών σκαφών.

«Αντισταθμίζουμε την έλλειψη δεδομένων με το γεγονός ότι δεν προσπαθούμε να προβλέψουμε αν η εικόνα ή το σύνολο των pixel είναι γάτα, σκύλος ή ελέφαντας. Αντίθετα, προσπαθούμε να προβλέψουμε αν η ροή του αέρα κινείται με έναν συγκεκριμένο τρόπο που τηρεί κάποιες φυσικές αρχές.»

– είπε ο CTO της Luminary Cloud, Juan Alonso

Τώρα, όσον αφορά την απόδοση της εταιρείας στην αγορά, τη στιγμή της συγγραφής, η κεφαλαιοποίηση των $85 δισεκατομμυρίων της Northrop Grumman διαπραγματεύεται περίπου στα $595, με άνοδο 26,8% φέτος. Μόλις νωρίτερα αυτόν τον μήνα, οι μετοχές NOC έφτασαν σε ιστορικό υψηλό (ATH) στα $640,90.