Australsk PhD‑team bruker AI for å gjenopprette James Webbs klarhet

Kosmos er dypt og enormt. Det er uhyggelig vakkert og fullt av mystikk. Å forstå dette universet er nøkkelen til å forstå vår egen opprinnelse og plass i det.

For å hjelpe med dette har forskere bygget James Webb Space Telescope (JWST), et kraftig verktøy designet for å fange lys fra de første galaksene og avsløre hvordan vår verden ble til. Det er det største teleskopet i verdensrommet, og gjør det mulig å studere astronomiske objekter ved hjelp av infrarød stråling.

Denne formen for lys har lengre bølgelengder enn synlig lys, og kan trenge gjennom kosmiske støvskyer som blokkerer synlig lys. Og fordi Webb observerer lengre bølgelengder, trenger den et stort samleområde for å oppnå høy oppløsning.

Webbs hovedspeil består av 18 sekskantede speilsegmenter laget av gullbelagt beryllium, som danner et speil med en diameter på 6,5 meter. Dette store speilet, kombinert med høyoppløselige, høysensitive instrumenter, gjør at Webb kan oppdage objekter langt mer fjerne enn tidligere romteleskoper kunne.

For å gjøre disse observasjonene mulige må Webb holdes på ekstremt lave temperaturer, under 50 K (−370 °F; −223 °C). Dette forhindrer at teleskopets egen varme forstyrrer de svake infrarøde signalene det prøver å fange. Et flerlagssolskjold beskytter teleskopet mot eksterne varmekilder som solen, månen og jorden.

Med disse kraftige instrumentene har Webb muliggjort undersøkelser på tvers av ulike felt innen astronomi og kosmologi, inkludert observasjon av de første stjernene, dannelsen av de første galaksene, og detaljert atmosfæreforskning av potensielt beboelige eksoplaneter.

Imidlertid har noen nylige bilder fra Webb vært ganske uklare på grunn av forvrengninger i ett av de viktigste instrumentene. For å løse dette problemet vendte to PhD‑forsker ved University of Sydney, Max Charles og Louis Desdoigts, seg til AI. Imponerende nok gjorde de det fra jorden uten noen maskinvare‑relaterte endringer.

Men hvorfor er dette viktig? Hva har Webb funnet der ute som gjør skarpere bilder så viktige? La oss ta en titt.

James Webb Space Telescope: Overraskelser fra det tidlige universet

Siden den ble satt i drift har Webb funnet galakser med kompleks struktur og svarte hull da universet fortsatt var svært ungt, og utfordret det vi trodde vi visste om hvor raskt de første galaksene kunne dannes og vokse.

Webb har avdekket klare atmosfæriske signaturer—inkludert metan, karbondioksid, svoveldioksid, ammoniakk og til og med hydrogensulfid—på flere verdener. Noen av disse molekylene hadde kun tentative bevis (eller ingen i det hele tatt) før JWST; Webb leverte de første entydige påvisningene i flere tilfeller, og fremmet eksoplanetkjemi dramatisk.

Teleskopet har observert fenomener som Jupiters auroraer og karakterisert små legemer innlemmet i asteroidebeltet mellom Jupiter og Mars, noe som er vanskelig for andre teleskoper å oppdage, og demonstrerer JWSTs fleksibilitet. Flere massive svarte hull har også blitt oppdaget av teleskopet.

Med disse og mange flere oppdagelser har JWST innfridd sitt løfte. Det viser oss at det tidlige universet er mye mer aktivt og komplekst enn vi trodde det skulle være. Dens kraft hjelper oss også med å gå utover vår egen galakse og solsystem med mer detaljerte og nøyaktige innsikter i kosmos natur.

Nyere har astronomer oppdaget¹ “en av de mest gåtefulle oppdagelsene” til dags dato mens de gikk gjennom bildene fra Webb. 

Disse svært lyse og gåtefulle objektene kan være den tidligste kjente galaksen i universet, som dukket opp 100 millioner år etter Big Bang, eller de kan være en brun dverg, også kalt en mislykket stjerne, som er større enn de største gassgigantplanetene men ikke stor nok til å opprettholde kjernefysisk fusjon i kjernen. Den eksakte identiteten til Capotauro er fortsatt usikker, men den er absolutt “interessant og lovende.”

Capotauro ble oppdaget av et team av astrofysikere ved National Institute of Astrophysics i Italia i en tidligere studie, da de prøvde å identifisere gamle galakser i JWST‑observasjoner. Mangelen på fin‑grained data gjorde det imidlertid umulig for dem å spesifisere dens identitet. Men så publiserte JWST mer data om Capotauro tidligere i år, noe som hjalp teamet med å avgrense hva den kunne være.

Teamet brukte bildene tatt av JWSTs Near Infrared Camera (NIRCam) på syv bølgelengder for å måle Capotauros lysstyrke og begrenset men mer fin‑grained data fra JWSTs Near Infrared Spectrograph (NIRSpec) for å få en idé om dens alder og temperatur.

Data fra NIRCam og NIRSpec ble kombinert, og deretter ble modeller brukt til å teste tre mulige galakse‑konfigurasjoner. Et scenario der Capotauro kunne være en brun dverg på den ytre randen av Melkeveien ble også testet, sammen med en rekke andre muligheter, som at objektet er en særpreget eksoplanet eller en svært merkelig ung galakse.

Selv om resultatene var inkonklusive, har teamet identifisert de to mest sannsynlige alternativene.

En mulighet er at Capotauro ble dannet omtrent 100 millioner år etter Big Bang, noe som skyver alderen til den eldste kjente galaksen tilbake med omtrent 200 millioner år. Den andre muligheten er at Capotauro er en uvanlig brun dverg, som er den kaldeste og fjerneste i vår galakse.

Begge er “svært spennende” muligheter da de vil utfordre det vi trodde vi visste om vår galakse og hvordan den utvikler seg, sa studiens medforfatter Giovanni Gandolfi, astrofysiker ved INAF.

I en annen ny observasjon ved bruk av JWST, har astronomer oppdaget fem karbonbaserte komplekse forbindelser² fanget i isen rundt en stjerne utenfor Melkeveien.

De organiske molekylene har blitt oppdaget rundt en protostjerne i en dverggalakse, den Store Magellanske Sky, som ligger 160 000 lysår fra jorden og kretser nær vår galakse. Denne lille galaksen er fylt med varme, lyssterke stjerner og har færre tunge elementer enn melkeveien. Ved å forstå denne galaksen, håper astronomene å anvende kunnskapen på mer fjerne galakser fra da universet var mye yngre.

“De harde forholdene forteller oss mer om hvordan kompleks organisk kjemi kan forekomme i disse primitive miljøene hvor langt færre tunge elementer som karbon, nitrogen og oksygen er tilgjengelige for kjemiske reaksjoner.”

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

Forskerne rettet Webb mot ST6, en utviklende stjerne i den Store Magellanske Sky, og med hjelp av verktøy som måler infrarødt lys, fant de følgende komplekse molekyler i isen rundt den: metanol, etanol, acetaldehyd, eddiksyre og metylformiat.

Av disse er metanol det eneste som er “entydig påvist” i protostjerner, noe som gjør de nye observasjonene “eksepsjonelle.”

Forskerne fant til og med signaler som kan være forårsaket av glykolaldehyd, som kan reagere med andre molekyler for å danne ribose, en type sukker som er en viktig komponent i ribonukleinsyre (RNA), som er essensiell for liv.

Klikk her for å lære hvordan laser & 3d‑printing vil bygge vår fremtid i verdensrommet.

AMIGO: AI‑kalibreringen som skjerpet JWSTs NIRISS‑AMI

Swipe to scroll →

Med alle disse oppdagelsene fra Webb innså to PhD‑forsker ved University of Sydney, Max Charles og Louis Desdoigts, at de kunne gjøre teleskopet enda mer effektivt. Deres AI‑drevne programvare korrigerte uskarpheten i Webbs bilder fra jorden uten å kreve kostbare romreparasjonsoppdrag.

Problemet de løste lå i Aperture Masking Interferometer (AMI), teleskopets eneste Australia‑designede komponent. AMI på NIRISS‑instrumentet er den høyeste‑oppløselige infrarøde interferometeren som noen gang er plassert i verdensrommet. Den gjør det mulig for astronomer å ta høyoppløselige bilder av stjerner og planeter utenfor vårt solsystem ved å kombinere lys fra forskjellige seksjoner av Webbs hovedspeil.

Men da teleskopet begynte i drift, ble AMIs ytelse påvirket av elektroniske forvrengninger i dets infrarøde kamerapiksel‑detektor. Med ladningsmigrasjon, eller Brighter‑Fat­ter‑effekten, som begrenset AMIs ytelse, led bildene teleskopet fanget av subtil uskarphet.

Romteleskoper har opplevd lignende optiske feil tidligere. Hubble hadde et sammenlignbart problem på 90‑tallet på grunn av en linse‑avstand‑feil. Hovedspeilet hadde feil form, en feil kalt sfærisk aberrasjon, som førte til at teleskopets primærspeil hadde mer enn ett brennpunkt, og gjorde bildene uskarpe.

For å bringe de uskarpe dataene i fokus, redesignet NASA Wide Field and Planetary Camera 2 (WFPC2) og utviklet Hubbles Corrective Optics Space Telescope Axial Replacement (COSTAR)‑instrumentpakke, som var på størrelse med et stort kjøleskap og fungerte som et par briller for Hubbles Faint Object Camera (FOC), Goddard High Resolution Spectrograph (GHRS) og Faint Object Spectrograph (FOS). Både WFPC2 og COSTAR ble installert av astronauter under Hubbles første serviceoppdrag sent i 1993.

Denne gangen, i stedet for å sende astronauter for fysiske reparasjoner, utviklet forskerne en programvare‑basert kalibreringsmetode her på jorden. Charles og Desdoigts (som nå er postdoktor ved Leiden University i Nederland) utviklet det de kalte Aperture Masking Interferometry Generative Observations, eller AMIGO³.

AMIGO er et åpen‑kilde‑kalibreringsrammeverk “som fremover‑modellerer hele JWST‑AMI‑systemet – inkludert optikk, detektorfysikk og leselektronikk – ved bruk av en ende‑til‑ende differensierbar arkitektur implementert i Jax‑rammeverket og spesielt utnytter dLux‑optisk modelleringspakke.”

Det bruker nevrale nettverk og avanserte simuleringer for å gjenskape hvordan Webbs optikk og elektronikk fungerer i verdensrommet. For å designe algoritmene som digitalt korrigerer bildene, identifiserte forskerne problemet der den elektriske ladningen sprer seg til tilstøtende piksler.

På denne måten “lyktes de i å fikse ting med kode” i stedet for “å sende astronauter for å skru på nye deler,” sa professor Peter Tuthill fra University of Sydney’s School of Physics og Sydney Institute for Astronomy, som skapte AMI og arbeidet med løsningen. “Det er et strålende eksempel på hvordan australsk innovasjon kan ha global innvirkning innen romvitenskap.”

Med hjelp av AMIGO leverte Webb klare og skarpere bilder, og fanget skjulte himmellegemer i presis detalj.

For å teste hvor effektiv AMIGO er, ledet Charles en egen studie her⁴, hvor, ved bruk av den forbedrede kalibreringen, produserte Webb klare bilder av vulkaner på Jupiters måne Io, en svart‑hull‑jet, og de støv‑fylte vindene fra WR 137.

“Dette arbeidet bringer JWSTs visjon inn i enda skarpere fokus,” sa Dr. Desdoigts. “Det er utrolig givende å se en programvareløsning utvide teleskopets vitenskapelige rekkevidde – og å vite at det var mulig uten å forlate laboratoriet.”

Investering i romteknologi

I romteknologiens verden er Northrop Grumman (NOC ) den ledende aktøren, som var hovedentreprenør for James Webb Space Telescope.

I tillegg til å ha bidratt til byggingen av JWST, har selskapet utviklet mange andre store romteknologier, inkludert Cygnus‑romfartøyet, som er et lastesupplevert kjøretøy for den internasjonale romstasjonen (ISS), Antares‑raketten for Cygnus‑oppdrag, luft‑lansert Pegasus‑rakett, Mission Extension Vehicle (MEV) for å dokke med satellitter og forlenge deres operasjonelle levetid, og HALO for Artemis‑programmet.

Som et luft‑ og forsvarsteknologiselskap utvikler Northrop Grumman også militære flysystemer, avanserte taktiske våpen og missilforsvarsløsninger for amerikanske myndigheter og internasjonale kunder. Videre leverer de kommando‑, kontroll‑, kommunikasjons‑ og rekognosceringssystemer.

Nylig signerte selskapet en avtale med AI‑oppstarten Luminary Cloud for akselerert, AI‑drevet romfartøydesign.

Oppstarten har utviklet en AI‑modell, drevet av NVIDIAs PhysicsNeMo, for forsvarsentreprenøren å designe og bygge nye romfartøy raskere. Med partnerskapet får ingeniører tilgang til verktøyet Physics AI som kan generere høy‑fidelitets‑simuleringer av delsystemer på sekunder, i stedet for de vanlige 12 timer det kan ta med beregnings‑fluid‑dynamikk‑simuleringer for å produsere én simulering. Det er for tiden tilpasset for design av romfartøys‑thruster‑dyser.

“Physics AI er neste nivå av kompleksitet i AI, og Northrop Grumman bringer denne teknologien til våre designingeniører for å dramatisk øke hastigheten på maskinvareutvikling. Å bruke AI til å lage noe lite, som en romfartøys‑thruster, setter oss på vei til å gjøre mye større ting, som å bruke AI til å designe større komponenter eller til og med et helt romfartøy.”

– Han Park, visepresident for AI‑integrasjon hos Northrop Grumman Space Systems

For å bygge modeller som kan generere nye design for å forutsi den fysiske verden, brukte oppstarten ikke dataene som er tilgjengelige på internett men heller lovene om fysikk for å skape romfartøydesign.

“Vi kompenserer for mangelen på data ved at vi ikke prøver å forutsi om bildet eller pikslsettet er en katt, hund eller elefant. Snarere prøver vi å forutsi om luftstrømmen flyter på en bestemt måte som følger fysiske prinsipper.”

– sa Luminary Clouds CTO, Juan Alonso

Nå, når det gjelder selskapets markedsytelse, er per i dag markedskapitalen på $85 milliarder og Northrop Grummans aksjer handles til rundt $595, opp 26,8 % i år. Bare tidligere denne måneden nådde NOC‑aksjene en all‑time høyde (ATH) på $640,90.