Avustralya Doktora Ekibi, James Webb’in Netliğini Geri Kazanmak İçin AI Kullanıyor

Kozmos derin ve geniştir. Ürkütücü bir güzelliğe sahip ve gizemle doludur. Bu evreni anlamak, kendi kökenlerimizi ve içinde bulunduğumuz yeri kavramanın anahtarıdır.

Bunun için bilim insanları James Webb Uzay Teleskobunu (JWST) inşa etti; ilk galaksilerden gelen ışığı yakalamak ve dünyamızın nasıl ortaya çıktığını ortaya koymak için tasarlanmış güçlü bir araç. Uzaydaki en büyük teleskop olan JWST, kızılötesi ışını kullanarak astronomik nesnelerin incelenmesini sağlıyor.

Bu ışık biçimi, görünür ışıktan daha uzun dalga boylarına sahiptir ve görünür ışığı engelleyen kozmik toz bulutlarını geçebilir. Webb daha uzun dalga boylarını gözlemlediği için yüksek çözünürlük elde etmek amacıyla büyük bir toplama alanına ihtiyaç duyar.

Webb’in ana aynası, altın kaplı berilyumdan yapılmış 18 altıgen ayna segmentinden oluşur ve 6,5 metre çapında bir ayna oluşturur. Bu büyük ayna, yüksek çözünürlük ve yüksek duyarlılıklı enstrümanlarla birleşerek Webb’in, önceki uzay teleskoplarının ulaşamadığı kadar uzak nesneleri tespit etmesini sağlar.

Bu gözlemlerin mümkün olabilmesi için Webb, 50 K’nın (−370 °F; −223 °C) altında son derece düşük sıcaklıklarda tutulmalıdır. Bu, teleskobun kendi ısısının yakalamaya çalıştığı zayıf kızılötesi sinyalleri etkilemesini önler. Çok katmanlı bir güneş kalkanı, teleskobu Güneş, Ay ve Dünya gibi dış ısı kaynaklarından korur.

Bu güçlü enstrümanlarla Webb, ilk yıldızların gözlemi, ilk galaksilerin oluşumu ve potansiyel yaşanabilir ötegezegenlerin detaylı atmosfer bilimi gibi astronomi ve kozmoloji alanlarında araştırmalara olanak tanıdı.

Ancak, Webb’in bazı son görüntüleri, kilit enstrümanlarından birindeki bozulmalar nedeniyle oldukça bulanıktı. Bu sorunu çözmek için Sidney Üniversitesi’nden iki doktora araştırmacısı, Max Charles ve Louis Desdoigts, AI’ye yöneldi. Etkileyici bir şekilde, bunu Dünya’dan, donanımsal bir değişiklik yapmadan başardılar.

Peki bu neden önemli? Webb’in uzayda neler keşfettiği ve daha keskin görüntülerin neden bu kadar kritik olduğu nedir? Bir göz atalım.

James Webb Uzay Teleskobu: Erken Evrenin Sürprizleri

Operasyona başladıktan beri Webb, evren hâlâ çok gençken bile karmaşık yapılı galaksiler ve kara delikler buldu; bu, ilk galaksilerin ne kadar hızlı oluşup büyüyebileceği konusundaki mevcut anlayışımızı zorladı.

Webb, açık atmosfer imzaları—metan, karbondioksit, kükürt dioksit, amonyak ve hatta hidrojen sülfür—birçok dünyada ortaya koydu. Bu moleküllerin bazıları JWST öncesinde sadece belirsiz kanıtlarla (ya da hiç kanıt olmadan) biliniyordu; Webb, birkaç durumda ilk net tespitleri yaparak ötegezegen kimyasını büyük ölçüde ilerletti.

Teleskop, Jüpiter’in auroraları gibi özellikleri ve Jüpiter ve Mars arasındaki asteroid kuşağında gömülü küçük cisimleri karakterize ederek, diğer teleskopların tespit etmesinin zor olduğu nesneleri gözlemledi, JWST’nin esnekliğini gösterdi. Birçok devasa kara delik de teleskop tarafından keşfedildi.

Bu ve daha birçok keşifle JWST, vaadini yerine getiriyor. Erken evrenin, düşündüğümüzden çok daha aktif ve karmaşık olduğunu gösteriyor. Gücünün sayesinde galaksimiz ve Güneş Sistemi dışına daha detaylı ve doğru içgörülerle kozmosa dair anlayışımızı genişletiyor.

En son, astronomlar görüntüler arasında¹ “şimdiye kadarki en gizemli keşiflerden” birini fark ettiler.

Bu çok parlak ve gizemli nesneler, Büyük Patlama’dan 100 milyon yıl sonra ortaya çıkan evrendeki bilinen en eski galaksi olabileceği gibi, en büyük gaz devi gezegenlerden daha büyük ama çekirdeğinde nükleer füzyon sürdüremeyen bir “kahverengi cüce” de olabilir. Capotauro’nun kesin kimliği hâlâ belirsiz, ancak kesinlikle “ilginç ve umut verici”.

Capotauro, İtalya’daki Ulusal Astrofizik Enstitüsü’nden bir astrofizikçi ekibi tarafından önceki bir çalışmada tespit edilmişti; JWST gözlemlerinde eski galaksileri tanımlamaya çalışırken ortaya çıkmıştı. Ancak ince veri eksikliği, kimliğini kesinleştirmelerini engelledi. JWST, bu yılın başında Capotauro’ya dair daha fazla veri yayımladı ve ekip, ne olabileceği konusunda dar bir çerçeve çizebildi.

Ekip, JWST’nin Yakın Kızılötesi Kamerası (NIRCam) tarafından yedi dalga boyunda çekilen görüntüleri kullanarak Capotauro’nun parlaklığını ölçtü ve Yakın Kızılötesi Spektrografı (NIRSpec) tarafından sağlanan sınırlı ama daha ayrıntılı verilerle yaşını ve sıcaklığını tahmin etti.

NIRCam ve NIRSpec verileri birleştirildi, ardından üç olası galaksi konfigürasyonunu test etmek için modeller kullanıldı. Milky Way’in dış kenarında bir kahverengi cüce olma senaryosu da, nesnenin garip bir ötegezegen ya da çok tuhaf genç bir galaksi olma ihtimalleriyle birlikte test edildi.

Sonuçlar kesin olmasa da ekip iki en olası seçeneği belirledi.

Bir olasılık, Capotauro’nun Büyük Patlama’dan 100 milyon yıl sonra oluşmuş olması; bu da bilinen en eski galaksinin yaşını yaklaşık 200 milyon yıl geriye itiyor. Diğer olasılık ise Capotauro’nun galaksimizdeki en soğuk ve en uzak kahverengi cüce olması.

Her iki seçenek de “çok heyecan verici” çünkü galaksimiz ve evrim süreci hakkındaki mevcut bilgilerimizi sarsabilir, diye belirtti INAF’dan astrofizikçi ve çalışma ortak yazarı Giovanni Gandolfi.

JWST kullanılarak yapılan bir başka yeni gözlemde, astronomlar beş karbon bazlı kompleks bileşiği² bir yıldızın dışındaki buz içinde tespit etti.

Organik moleküller, bir protostarın küçük bir galaksinin, Büyük Magellanik Bulutu içinde tespit edildi; bu galaksi Dünya’dan 160.000 ışık yılı uzakta ve galaksimize yakın bir yörüngede dönüyor. Bu küçük galaksi, sıcak, parlak yıldızlarla dolu ve helyum dışındaki ağır elementler bakımından Milky Way’e göre daha fakir. Bu galaksiyi anlamak, astronomların evren çok gençken daha uzak galaksileri anlamalarına yardımcı olacak.

“Zorlu koşullar, karbon, azot ve oksijen gibi ağır elementlerin çok az olduğu bu ilkel ortamlarda karmaşık organik kimyanın nasıl gerçekleşebileceği hakkında daha fazla bilgi veriyor.”

– Çalışma ortak yazarı Marta Sewilo, Maryland Üniversitesi ve NASA Goddard Uzay Uçuş Merkezi’nden astronom

Araştırmacılar, Large Magellanic Cloud’da gelişmekte olan bir yıldız olan ST6’yı Webb ile işaret etti ve kızılötesi ışığı ölçen araçların yardımıyla buz içinde şu kompleks molekülleri buldu: metanol, etanol, asetaldehit, asetik asit ve metil format.

Bu moleküller arasında, metanol protostarlarda “kesin olarak tespit edilen” tek molekül; bu da yeni gözlemleri “istisnai” kılıyor.

Araştırmacılar, glikolaldehitin sinyallerini de buldular; bu molekül diğer moleküllerle reaksiyona girerek riboz (RNA’nın temel bir şekeri) oluşturabilir, ki bu da yaşam için kritik bir bileşen.

Uzayda geleceğimizi inşa edecek lazer ve 3D baskı hakkında daha fazla bilgi edinmek için buraya tıklayın.

AMIGO: JWST’nin NIRISS-AMI’sini Keskinleştiren AI Kalibrasyonu

Kaydırarak kaydırın →

Webb’den gelen bu keşiflerin hepsiyle, Sidney Üniversitesi’nden iki doktora araştırmacısı Max Charles ve Louis Desdoigts, teleskobu daha da etkili hâle getirebileceklerini fark ettiler. AI destekli yazılımları, uzaydaki pahalı tamir görevlerine ihtiyaç duymadan, Dünya’dan Webb’in görüntülerindeki bulanıklığı düzeltti.

Çözdükleri sorun, Aperture Masking Interferometer (AMI) içindeydi; bu, teleskobun tek Avustralya tasarımlı bileşeni. NIRISS enstrümanındaki AMI, uzaya yerleştirilen en yüksek çözünürlüklü kızılötesi girişim ölçerdir. Farklı ayna bölümlerinden gelen ışığı birleştirerek, Güneş Sistemi dışındaki yıldız ve gezegenlerin yüksek çözünürlüklü görüntülerini almayı sağlar.

Ancak teleskop çalışmaya başladığında, AMI’nin performansı kızılötesi kamera dedektöründeki elektronik bozulmalardan etkilendi. Yük göçmesi, yani Brighter-Fatter Effect, AMI’nin performansını sınırladı ve teleskobun yakaladığı görüntüler hafif bir bulanıklık yaşadı.

Uzay teleskopları daha önce benzer optik kusurlarla karşılaşmıştı. Hubble, 90’larda benzer bir sorun yaşamıştı; mercek aralığı hatasından kaynaklanıyordu. Ana aynası yanlış şekle sahipti; küresel sapma adı verilen bu kusur, birincil aynanın birden fazla odak noktasına sahip olmasına ve görüntülerin bulanık çıkmasına neden oldu.

Bu bulanık verileri netleştirmek için NASA, Geniş Alan ve Gezegen Kamerası 2 (WFPC2)’yi yeniden tasarladı ve Hubble’ın Düzeltici Optik Uzay Teleskobu Eksenik Değişimi (COSTAR) enstrüman paketini geliştirdi; bu paket büyük bir buzdolabı büyüklüğündeydi ve Hubble’ın Zayıf Nesne Kamerası (FOC), Goddard Yüksek Çözünürlüklü Spektrografı (GHRS) ve Zayıf Nesne Spektrografı (FOS) için bir çift gözlük gibi işlev gördü. WFPC2 ve COSTAR, Hubble’ın ilk bakım görevinde 1993’ün sonlarında astronotlar tarafından kuruldu.

Bu sefer, astronotları fiziksel tamir için uzaya göndermek yerine, araştırmacılar Dünya’da tamamen yazılım temelli bir kalibrasyon yöntemi yarattılar. Charles ve Desdoigts (şu anda Hollanda’daki Leiden Üniversitesi’nde post‑doktora araştırmacısı) “Aperture Masking Interferometry Generative Observations” ya da kısaca AMIGO adını verdikleri sistemi geliştirdiler.

AMIGO, “tam JWST AMI sistemini – optiği, dedektör fiziğini ve okuma elektroniğini – uçtan uca türevlenebilir bir mimariyle, Jax çerçevesinde ve özellikle dLux optik modelleme paketini kullanarak ileri modelleyen” açık kaynaklı bir kalibrasyon çerçevesidir.

AMIGO, sinir ağları ve gelişmiş simülasyonlar kullanarak Webb’in optiğinin ve elektroniklerinin uzayda nasıl çalıştığını taklit eder. Görüntüleri dijital olarak düzeltmek için algoritmalarını tasarlarken, araştırmacılar elektriğin komşu piksellere yayılması sorununu belirledi.

Bu sayede, “astronotları yeni parçalar takmaya göndermek yerine kodla sorunu çözdüler” dedi Sidney Üniversitesi Fizik Okulu ve Sydney Astronomi Enstitüsü’nden Profesör Peter Tuthill, AMI’nin yaratıcısı ve çözümün geliştiricisi. “Bu, Avustralya yeniliğinin uzay biliminde küresel bir etki yaratabileceğinin parlak bir örneği.”

AMIGO’nun yardımıyla Webb, net ve daha keskin görüntüler sunarak, belirsiz gök cisimlerini tam detaylarıyla yakaladı.

AMIGO’nun ne kadar etkili olduğunu test etmek için Charles, ayrı bir çalışma yürüttü; geliştirilmiş kalibrasyonla Webb, Jüpiter’in uydusu Io’daki volkanlar, bir kara delik jet’i ve WR 137’nin toz dolu rüzgarlarını net görüntülerle ortaya koydu.

“Bu çalışma, JWST’nin vizyonunu daha da keskin bir odak noktasına getiriyor,” dedi Dr. Desdoigts. “Yazılım çözümünün teleskobun bilimsel kapsamını genişletmesi inanılmaz ödüllendirici ve bunu laboratuvardan hiç çıkmadan mümkün kıldığını görmek harika.”

Uzay Teknolojisine Yatırım

Uzay teknolojileri alanında Northrop Grumman (NOC ) lider konumdadır; James Webb Uzay Teleskobu’nun ana müteahhidi de bu şirkettir.

JWST’nin inşasına yardımcı olmanın yanı sıra, şirket Cygnus uzay aracı (Uluslararası Uzay İstasyonu’na (ISS) kargo ikmal aracı), Cygnus görevleri için Antares roketi, hava ile fırlatılan Pegasus roketi, uydulara bağlanarak operasyon ömrünü uzatan Mission Extension Vehicle (MEV) ve Artemis programı için HALO gibi birçok büyük uzay teknolojisi geliştirdi.

Bir havacılık ve savunma teknoloji şirketi olarak Northrop Grumman, ABD hükümet ajansları ve uluslararası müşteriler için askeri uçak sistemleri, gelişmiş taktik silahlar ve füze savunma çözümleri de geliştiriyor. Ayrıca komuta, kontrol, iletişim ve keşif sistemleri sağlıyor.

Son zamanlarda şirket, AI destekli hızlandırılmış uzay aracı tasarımı için AI girişimi Luminary Cloud ile bir anlaşma imzaladı. 

Luminary Cloud, savunma müteahhidi için NVIDIA’nın PhysicsNeMo’su tarafından desteklenen bir AI modeli geliştirdi, yeni uzay araçlarını daha hızlı tasarlayıp inşa etmelerini sağlıyor. Bu ortaklık sayesinde mühendisler, sadece bir simülasyon üretmek için geleneksel hesaplamalı akışkan dinamiği (CFD) ile 12 saat süren süreç yerine, birkaç saniye içinde yüksek doğruluklu alt sistem simülasyonları üretebilen Physics AI adlı bu amaçla geliştirilmiş araca erişebilecekler. Şu anda bu araç, uzay aracı itici memeleri tasarlamaya yönelik olarak özelleştirildi.

“Physics AI, AI’da bir sonraki karmaşıklık seviyesidir ve Northrop Grumman bu teknolojiyi tasarım mühendislerimize sunarak donanım geliştirmeyi dramatik şekilde hızlandırıyor. Bir uzay aracı iticisi gibi küçük bir şeyi AI ile üretmek, bizi daha büyük şeyler yapma yoluna sokuyor; örneğin AI ile daha büyük bileşenler ya da hatta bütün bir uzay aracı tasarlamak gibi.”

– Han Park, Northrop Grumman Space Systems’ta AI entegrasyonu başkan yardımcısı

Fizik kurallarını kullanarak yeni tasarımlar üretebilen modeller oluşturmak için startup, internetten elde edilen verileri değil, fizik yasalarını kullandı.

“Veri eksikliğini, görüntünün ya da piksel setinin bir kedi, köpek ya da fil olup olmadığını tahmin etmeye çalışmadığımız gerçeğiyle telafi ediyoruz. Bunun yerine, akışkanın belirli bir fiziksel prensibe uygun şekilde akıp akmadığını tahmin etmeye çalışıyoruz.”

– söyledi Luminary Cloud’ın CTO’su Juan Alonso

Şirketin piyasa performansına gelince, bu yazının yazıldığı sırada, $85 milyar piyasa değerine sahip Northrop Grumman hisseleri yaklaşık $595 seviyesinde işlem görüyor ve bu yıl %26,8 artış kaydetti. Bu ayın başında NOC hisseleri $640,90 seviyesinde tüm zamanların en yüksek değerine (ATH) ulaştı.