オーストラリアの博士課程チーム、AIを活用してジェームズ・ウェッブの鮮明さを回復

宇宙は深く広大です。幽玄な美しさと謎に満ちています。この宇宙を理解することは、私たち自身の起源とそこにおける位置を理解する鍵です。

この目的のために、科学者たちはジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）を構築しました。これは最初の銀河からの光を捕らえ、私たちの世界がどのように誕生したかを明らかにするための強力なツールです。宇宙で最大の望遠鏡であり、赤外線放射を用いた天体の研究を可能にします。

この光は可視光よりも波長が長く、可視光を遮る宇宙塵雲を貫通できます。また、ウェッブが長波長を観測するため、高解像度を得るには大きな集光面積が必要です。

ウェッブの主鏡は、金メッキベリリウム製の18個の六角形ミラーセグメントから構成され、直径6.5メートルの鏡面を形成しています。この大型鏡と高解像度・高感度の装置により、ウェッブは従来の宇宙望遠鏡よりはるかに遠くの天体を検出できます。

これらの観測を可能にするため、ウェッブは極低温（50 K以下、−370 °F、−223 °C）に保たれます。これにより望遠鏡自身の熱が微弱な赤外線信号に干渉するのを防ぎます。多層サンシールドが太陽、月、地球など外部熱源から望遠鏡を保護します。

これらの強力な装置により、ウェッブは最初の星の観測、最初の銀河の形成、潜在的に居住可能な系外惑星の大気科学など、天文学と宇宙論のさまざまな分野での研究を可能にしました。

しかし、最近のウェッブの画像のいくつかは、主要な装置の一つに歪みが生じたため、かなりぼやけていました。この問題を解決するために、シドニー大学の博士課程研究者であるマックス・チャールズとルイ・デスドゥイグツがAIに取り組みました。驚くべきことに、彼らは地上からハードウェアの変更なしでこれを実現しました。

しかし、なぜこれが重要なのでしょうか？ウェッブが何を発見しているのか、より鮮明な画像がなぜ重要なのかを見てみましょう。

ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡：初期宇宙からの驚き

運用開始以来、ウェッブは宇宙がまだ非常に若い時期に複雑な構造を持つ銀河やブラックホールを発見し、最初の銀河がどれほど速く形成・成長できるかについての従来の認識に挑戦しています。

ウェッブは明らかにした複数の惑星で、メタン、二酸化炭素、二酸化硫黄、アンモニア、さらには硫化水素といった明確な大気の痕跡を明らかにしました。これらの分子のいくつかは、JWST以前は僅かな証拠（あるいは全く証拠が）しかありませんでしたが、ウェッブは数例で初めて明確な検出を行い、系外惑星化学を劇的に前進させました。

この望遠鏡は、木星のオーロラや木星と火星の間の小惑星帯に埋め込まれた小天体など、他の望遠鏡では検出が難しい特徴を観測しました。 いくつかの巨大ブラックホールもこの望遠鏡によって発見された。

これらを含む多くの発見により、JWSTはその約束を実現しています。初期宇宙が私たちが考えていたよりもはるかに活発で複雑であることを示しています。その性能は、銀河や太陽系を超えて、宇宙の本質に関するより詳細で正確な洞察を提供するのに役立っています。

最近、天文学者は発見した¹「最も謎めいた発見」の一つをウェッブの画像を調査する中で見つけました。

これらの非常に明るく謎めいた天体は、ビッグバンから1億年後に出現した、宇宙で最も早く知られている銀河である可能性があります。または、最大のガス巨星惑星より大きいが核融合を維持できない「失敗した星」すなわち茶色矮星である可能性もあります。その正体は未確定ですが、確かに「興味深く有望」だと言われています。

カポタウロはイタリアの国立天体物理学研究所の天体物理学者チームによって以前の研究で発見されました。彼らはJWST観測で古い銀河を特定しようとしていましたが、細かいデータが不足していたため正体を特定できませんでした。しかし、今年初めにJWSTがカポタウロに関する追加データを公開し、チームはその可能性を絞り込むことができました。

チームはJWSTの近赤外カメラ（NIRCam）で7つの波長で撮影された画像を使用してカポタウロの明るさを測定し、JWSTの近赤外分光装置（NIRSpec）から得られた限られたがより細かいデータを用いてその年齢と温度を推定しました。

NIRCamとNIRSpecのデータは統合され、モデルを用いて3つの可能な銀河構成をテストしました。また、カポタウロが銀河系の外縁に位置する茶色矮星であるシナリオも、他の可能性（特異な系外惑星や非常に奇妙な若い銀河など）とともに検証されました。

結果は決定的ではありませんでしたが、チームは最も可能性の高い2つの選択肢を特定しました。

一つの可能性は、カポタウロがビッグバンから約1億年後に形成されたことで、最も古い既知の銀河の年齢を約2億年遡らせることになります。もう一つの可能性は、カポタウロが異常な茶色矮星であり、銀河系で最も寒く、最も遠い存在であるということです。

どちらも「非常にエキサイティングな」可能性であり、銀河とその進化に関する我々の認識に挑戦するものだと、研究共同著者でINAFの天体物理学者ジョバンニ・ガンドルフィは述べています。

JWSTを用いた別の新しい観測で、天文学者は発見した²銀河系外の星の氷に捕らえられた5つの炭素系複合化合物。

有機分子は、銀河系から160,000光年離れ、我々の銀河の近くを公転している小矮星系である大マゼラン雲の原始星の周囲で検出されました。この小さな銀河は熱く光り輝く星に満ち、ヘリウムより重い元素が銀河系よりも少ないです。この銀河を理解することで、天文学者は宇宙がはるかに若かった時期のより遠方の銀河の理解に応用しようとしています。

過酷な環境は、炭素、窒素、酸素といった重元素がはるかに少ない原始的な環境で、どのように複雑な有機化学が起こり得るかについて多くを教えてくれます。

– 研究共同著者マルタ・セヴィロ、メリーランド大学およびNASAゴダード宇宙飛行センターの天文学者

研究者はウェッブを大マゼラン雲の発展中の星ST6に向け、赤外線を測定するツールを用いて、氷の中に以下の複雑な分子を発見しました：メタノール、エタノール、アセトアルデヒド、酢酸、そしてメチルホルメート。。

これらのうち、メタノールだけが原始星で「決定的に検出」された唯一の分子であり、今回の観測は「例外的」だと言えます。

研究者はさらに、グリコアルデヒドによる可能性のある信号も見つけました。グリコアルデヒドは他の分子と反応してリボース（RNAの重要な構成要素である糖）を生成することができ、生命に不可欠です。

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AMIGO：JWSTのNIRISS-AMIを鮮明にしたAI較正

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ウェッブからのこれらすべての発見により、シドニー大学の博士課程研究者であるマックス・チャールズとルイ・デスドゥイグツは、望遠鏡をさらに効果的にできると悟りました。彼らのAI駆動ソフトウェアは、コストのかかる宇宙修理ミッションを必要とせずに、地上からウェッブの画像のぼやけを修正しました。

彼らが解決した問題は、アパーチャーマスキング干渉計（AMI）にありました。これは望遠鏡唯一のオーストラリア設計コンポーネントです。NIRISS装置上のAMIは、宇宙に配置された最高解像度の赤外線干渉計です。ウェッブの主鏡の異なるセクションから光を組み合わせることで、太陽系外の星や惑星の高解像度画像を取得できます。

しかし、望遠鏡の運用が開始された際、AMIの性能は赤外線カメラ検出器の電子的歪みに影響されました。電荷移動、すなわちブライターファッター効果がAMIの性能を制限し、撮影された画像は微妙なぼやけを示しました。

宇宙望遠鏡は以前にも同様の光学的欠陥に直面しています。ハッブルは1990年代にレンズ間隔エラーのため、類似の問題を抱えていました。主鏡の形状が誤っており、球面収差と呼ばれる欠陥により、主鏡に複数の焦点ができ、画像がぼやけました。

ぼやけたデータを焦点合わせするため、NASAは広視野・惑星カメラ2（WFPC2）を再設計し、ハッブルの補正光学宇宙望遠鏡軸置換装置（COSTAR）を開発しました。COSTARは大型冷蔵庫サイズで、ハッブルの微小天体カメラ（FOC）、ゴッドダード高分解能分光計（GHRS）、微小天体分光計（FOS）のための眼鏡のような役割を果たしました。WFPC2とCOSTARはともに1993年末のハッブル初の整備ミッションで宇宙飛行士により取り付けられました。

今回は、宇宙飛行士を派遣して物理的な修理を行う代わりに、研究者は地上でソフトウェアベースの較正手法を作成しました。チャールズとデスドゥイグツ（現在はオランダのライデン大学のポスドク研究者）は、Aperture Masking Interferometry Generative Observations、略してAMIGOと呼ばれる手法を開発しました。

AMIGOはオープンソースの較正フレームワークであり、「JWST AMIシステム全体（光学系、検出器物理、リードアウト電子回路を含む）を前方モデル化し、Jaxフレームワークで実装されたエンドツーエンドの微分可能アーキテクチャを使用し、特にdLux光学モデリングパッケージを活用する」ものです。

それはニューラルネットワークと高度なシミュレーションを用いて、ウェッブの光学系と電子機器が宇宙でどのように機能するかを再現します。画像をデジタルで修正するアルゴリズムを設計するために、研究者は電荷が隣接ピクセルに拡散する問題を特定しました。

このようにして、シドニー大学物理学部とシドニー天文学研究所のピーター・タシル教授（AMIを創設し、解決策に取り組んだ）は、「宇宙飛行士を派遣して新しい部品を取り付けるのではなく、コードで問題を解決できた」と述べました。「これは、オーストラリアのイノベーションが宇宙科学に世界的な影響を与える素晴らしい例です。」

AMIGOの助けにより、ウェッブは鮮明で高解像度の画像を提供し、曖昧な天体を正確に捉えることができました。

AMIGOの有効性をテストするため、チャールズは別の研究を主導し、改良された較正を用いて、ウェッブは木星の衛星イオの火山、ブラックホールジェット、WR 137の塵に満ちた風の鮮明な画像を生成しました。

「この研究はJWSTのビジョンをさらに鮮明に焦点合わせしたものです」とデスドゥイグツ博士は述べました。「ソフトウェアソリューションが望遠鏡の科学的範囲を拡大するのを見ることは非常にやりがいがあり、しかも実験室を離れることなく実現できたことは素晴らしいです。」

宇宙技術への投資

宇宙技術の分野では、Northrop Grumman (NOC )が主要企業であり、ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡の主要請負業者でした。

JWSTの構築に加えて、同社はサイグナス宇宙船（国際宇宙ステーション（ISS）の貨物補給機）、サイグナスミッション用アンタレスロケット、空中発射型ペガサスロケット、衛星にドッキングして運用寿命を延長するミッションエクステンションビークル（MEV）、アルテミス計画向けHALOなど、多くの主要な宇宙技術を開発しています。

航空宇宙・防衛技術企業として、Northrop Grummanは米国政府機関や国際顧客向けに軍用航空機システム、先進的戦術兵器、ミサイル防衛ソリューションも開発しています。さらに、指揮統制、通信、偵察システムも提供しています。

最近、同社はAIスタートアップのLuminary Cloudと、AIを活用した高速宇宙船設計のための契約を締結しました。

このスタートアップは、NVIDIAのPhysicsNeMoを搭載したAIモデルを開発し、防衛請負業者が新しい宇宙船をより迅速に設計・製造できるようにしています。。
このパートナーシップにより、エンジニアはPhysics AIと呼ばれる専用ツールにアクセスでき、サブシステムの高忠実度シミュレーションを数秒で生成できます。従来の計算流体力学シミュレーションで1つのシミュレーションを作成するのに通常12時間かかるのに対し、数秒で可能です。現在は宇宙船スラスターノズルの設計に特化しています。

「Physics AIはAIの次なる複雑性のレベルであり、Northrop Grummanはこの技術を設計エンジニアに提供してハードウェア開発を劇的に高速化しています。宇宙船スラスターノズルのような小さなものをAIで作ることで、より大きな部品やさらには全宇宙船の設計にAIを活用するという、はるかに大規模な取り組みへの道が開かれます。」

– ハン・パーク、Northrop Grumman Space SystemsのAI統合副社長

物理的世界を予測する新しい設計を生成できるモデルを構築するため、スタートアップはインターネット上のデータを使用せず、物理法則を用いて宇宙船設計を行いました。

「我々はデータ不足を、画像やピクセルが猫・犬・象かを予測しようとしているのではなく、特定の物理原則に従う空気流れかどうかを予測しようとしているという事実で補っています。」

– 述べました Luminary CloudのCTO、フアン・アロンソが

現在の同社の市場パフォーマンスについて、執筆時点でNorthrop Grummanの時価総額は850億ドルで、株価は約595ドルで取引されており、今年は26.8％上昇しています。今月初めには、NOC株は史上最高値（ATH）の640.90ドルに達しました。