الكشف السريع عن المستعرات الأعظمية مع الشبكات العصبية

مرحبا هبر! أود أن أقدم لكم ترجمة (معدلة قليلاً) للمقال الممتاز "الكشف السريع عن المستعرات الأعظمية باستخدام الشبكات العصبية" بقلم رودريجو كاراسكو ديفيس من معهد الفيزياء الفلكية في تشيلي.

قليلا من الخلفية

علم الفلك هو دراسة الأجرام السماوية: النجوم أو المجرات أو الثقوب السوداء. تشبه هذه الدراسة للأجرام السماوية العمل في مختبر "الفيزياء الطبيعية". تحدث فيه أكثر العمليات الطبيعية تطرفًا والتي لا تصدق ، والتي لا يمكن تكرارها في الغالب على الأرض. تسمح لنا ملاحظات هذه العمليات باكتساب فهم أعمق للعالم ، والتحقق من المعرفة الموجودة حول الفيزياء ، ومقارنة المفاهيم الراسخة مع ما نلاحظه في الكون.



هناك نوع خاص من الأحداث ذات أهمية كبيرة لعلماء الفلك. يحدث ذلك في نهاية حياة النجوم الضخمة. وهي تتكون من الهيدروجين الذي يتم سحبه باتجاه المركز عن طريق الجاذبية. وعندما تصبح الكثافة عالية بدرجة كافية ، تبدأ ذرات الهيدروجين في الاندماج. هذا يؤدي إلى ظهور وهج وظهور عناصر كيميائية جديدة: الهيليوم ، الكربون ، الأكسجين ، النيون ، إلخ. تحدث عملية الدمج تحت ضغط داخلي ، بينما تمارس الجاذبية ضغطًا خارجيًا ، وبالتالي تحافظ على استقرار النجم أثناء حرق نفسه. كلما زاد حجم النجم ، زادت درجات الحرارة التي تصل إلى قلبه ، وكلما زادت سرعة حرقه للوقود النووي.



تدريجيًا ، تنتقل عملية التوليف إلى عناصر أثقل: إلى المغنيسيوم والسيليكون والكبريت ، وتأتي في النهاية إلى الحديد والكوبالت والنيكل. يتطلب تركيب المزيد من العناصر طاقة أكثر مما يتم إطلاقه أثناء التفاعل ، لذلك ينهار اللب ويحدث انفجار سوبر نوفا.





سديم السرطان ، بقايا المستعر الأعظم



هذه العملية مهمة جدًا لعلماء الفلك. نظرًا للظروف القاسية أثناء الانفجار ، يمكن لعلماء الفلك مراقبة تركيب العناصر الثقيلة ، والتحقق من سلوك المادة تحت ضغط ودرجة حرارة شديدين ، ومراقبة ناتج الانفجار ، والذي قد يكون نجمًا نيوترونيًا أو ثقبًا أسود.



يمكن أيضًا استخدام السوبرنوفا كشموع قياسية. مشكلة شائعة في علم الفلك: قياس المسافات للأجرام السماوية. نظرًا لأن النجوم بعيدة جدًا عن الأرض ، فمن الصعب تحديد ما إذا كان النجم خافتًا وقريبًا منا ، أو بعيدًا جدًا ومشرقًا جدًا. تحدث معظم انفجارات المستعرات الأعظمية في الكون بالطريقة نفسها ، ولهذا يستخدم علماء الفلك المستعرات الأعظمية لقياس المسافات ، وهو أمر مهم عند دراسة ، على سبيل المثال ، تمدد الكون والطاقة المظلمة .



على الرغم من أن انفجارات السوبرنوفا شديدة السطوع ، إلا أنه من الصعب ملاحظتها نظرًا لبعدها عن الأرض ، نظرًا لحدوثها المنخفض (حوالي مستعر أعظم واحد لكل مجرة ​​كل قرن) والطبيعة قصيرة المدى للانفجار ، والذي يمكن أن يستمر من عدة أيام إلى زوجين أسابيع. بالإضافة إلى ذلك ، من أجل الحصول على معلومات مفيدة من مستعر أعظم ، من الضروري إعداد مطياف (يستخدم لقياس الطاقة المنبعثة أثناء الانفجار عند عدة ترددات). سيكون من الجيد أيضًا البدء في مراقبة النجم مسبقًا ، حيث تحدث العديد من العمليات الفيزيائية المثيرة للاهتمام في غضون ساعات من الانفجار. الآن اسأل نفسك السؤال: كيف يمكننا العثور بسرعة على انفجارات المستعرات الأعظمية من بين جميع الأجرام الفلكية الأخرى المرصودة في الكون؟

علم الفلك اليوم

قبل عدة عقود ، كان على عالم الفلك أن يختار جسمًا معينًا ويوجه تلسكوبًا إليه من أجل الحصول على المعلومات التي يحتاجها. تلتقط التلسكوبات الحديثة مثل Zwicky Transient Facility (ZTF) أو Vera Rubin Observatory صورًا عالية الجودة للسماء بسرعة عالية جدًا ، وتجمع البيانات عن السماء المرئية كل ثلاثة أيام. يولد تلسكوب ZTF 1.4 تيرابايت من البيانات في الليلة ، ويحدد ويرسل معلومات حول الكائنات المتغيرة المثيرة في السماء في الوقت الفعلي.



عندما يغير شيء ما سطوعه ، تلاحظه التلسكوبات "الذكية" وترسل تنبيهًا تحذيريًا. يتم إنجاز التحذير عن طريق إرسال دفق بيانات تتكون فيه كل رسالة من ثلاث صور مقطوعة بحجم 63 × 63 بكسل. تسمى هذه الصور الثلاث علمية ومرجعية وتفاضلية.



ملف الصور العلمية هو أحدث ملاحظة لمنطقة معينة. بالإشارة - ما كان في بداية الملاحظات. كل ما تغير بين الصورتين الأولى والثانية يمكن رؤيته في الفرق الثالث. يرسل التلسكوب سيئ السمعة ما يصل إلى مليون تحذير في الليلة ، ولكن في كثير من الأحيان عدة آلاف. لنفترض أن الشخص يريد التحقق من كل تنبيه يدويًا ، سيستغرق عرض جميع التنبيهات في ليلة واحدة حوالي 3.5 أيام.





الصور العلمية والمرجعية والاختلاف. تستكمل ببيانات مهمة أخرى ، مثل ظروف المراقبة ومعلومات حول الكائن. الصورة الرابعة هي نسخة ملونة من PanSTARRS باستخدام Aladin Sky Atlas . يمكنك أن ترى التطور الكامل لسطوع المستعر الأعظم بمرور الوقت في واجهة ALeRCE .



نظرًا لأن هذه التحذيرات تنقل كل شيء يتغير في السماء ، فمن المهم أن تكون قادرًا على اكتشاف المستعرات الأعظمية بين مجمل المعلومات التي تم إنشاؤها بواسطة التلسكوب. المشكلة هي أن الأجسام الفلكية الأخرى يمكنها أيضًا إطلاق تنبيه. على سبيل المثال ، تغير النجوم المتغيرة سطوعها ، نواة المجرة النشطة، الكويكبات. هناك أيضًا تحذيرات كاذبة. لحسن الحظ ، تحتوي الصور العلمية والمرجعية والفرق على عدد من الميزات المميزة التي تساعد في تحديد ما يتحدث عنه التنبيه عن مستعر أعظم أو كائن آخر. وسيكون من الرائع معرفة كيفية التمييز بفعالية بين الفئات الرئيسية للتنبيهات.





خمس فئات من الأجرام الفلكية



وبالتالي ، توجد نوى المجرة النشطة عادة في وسط المجرات. تحدث المستعرات الأعظمية عادة بالقرب من المجرة المضيفة. تُلاحظ الكويكبات بالقرب من النظام الشمسي ولا تظهر في الصورة المرجعية. تم العثور على النجوم المتغيرة في الصور المليئة بالنجوم الأخرى حيث توجد في الغالب داخل مجرة ​​درب التبانة. تظهر التنبيهات الخاطئة لأسباب مختلفة: نقص البكسل في كاميرا التلسكوب ، وضعف الطرح عند إنشاء صورة تفاضلية ، والأشعة الكونية ، إلخ. كما قلت من قبل ، لا يمكن للإنسان أن يتحقق يدويًا من كل تحذير. لذلك ، كانت هناك حاجة إلى طريقة تلقائية لتصنيفها حتى يتمكن علماء الفلك من العثور على البيانات الأكثر إثارة للاهتمام ، والتي من المرجح أن تحتوي على معلومات حول المستعرات الأعظمية.

ابحث عن المستعرات الأعظمية باستخدام الشبكات العصبية

نظرًا لأننا نفهم تقريبًا الاختلافات بين صور الفئات الخمس المذكورة أعلاه ، يمكننا محاولة حساب ميزات محددة من أجل تصنيفها بشكل صحيح. ومع ذلك ، فإن العمل اليدوي صعب ويتطلب فترة طويلة من التجربة والخطأ. لذلك ، تقرر تدريب شبكة عصبية تلافيفية (CNN) لحل مشكلة التصنيف والكشف بسرعة عن المستعرات الأعظمية.



يتم ضمان ثبات الشبكة العصبية من خلال إنشاء نسخ مستديرة من كل صورة في مجموعة التدريب بمقدار 90 درجة ، وبعد ذلك يتم تحميل متوسط ​​قيمة كل نسخة مستديرة من الصورة. يعد استخدام الثبات أمرًا مهمًا لأنه لا يوجد اتجاه محدد يمكن أن تظهر فيه الهياكل في الصور المرسلة في التنبيهات.



أضاف العلماء أيضًا بعض البيانات الوصفية الواردة في التحذير ، مثل الموقع في إحداثيات السماء ، والمسافة إلى الأشياء الأخرى المعروفة ، ومقاييس الظروف الجوية. بعد تدريب النموذج باستخدام الانتروبيا المتقاطعة ، يكون احتمال احتواء التحذير على معلومات حول مستعر أعظم مركّز حول قيم 0 أو 1. صحيح ، ارتكب المصنف أحيانًا أخطاء في الصنف المتوقع. ليس من الملائم جدًا أن يقوم الباحث بتصفية البيانات حول المستعرات الأعظمية المحتملة بعد أن يقوم الكمبيوتر بالتنبؤ.



لتعظيم إنتروبيا التنبؤ وتوزيع قيم احتمالات المخرجات ، أضاف العلماء معلومات إضافية إلى الشبكة العصبية. وقد جعل ذلك من الممكن تحسين تفاصيل أو وضوح التنبؤات ، والحصول على الاحتمالات في النطاق الكامل من 0 إلى 1 ، وليس فقط القيم القصوى لهذه المؤشرات. والنتيجة هي تنبؤات يمكن تفسيرها بشكل أكثر ملاءمة ، مما يسمح للفلك باختيار المستعر الأعظم.





شبكة عصبية تلافيفية مع زيادة ثبات الدوران. يتم إنشاء نسخ مستديرة وتمريرها إلى نفس بنية الشبكة العصبية لتطبيق التجمع الأوسط في طبقة كثيفة قبل دمجها مع البيانات الوصفية.



مر العلماء عبر الشبكة العصبية حوالي 400000 كائن ، موزعة بالتساوي في الفضاء عبر التغطية الكاملة لتلسكوب ZTF ، كتحقق من صحة تنبؤات النموذج. اتضح أن كل فئة تنبأت بها الشبكة العصبية موزعة مكانيًا. هذا منطقي عندما تفكر في طبيعة كل جسم فلكي. على سبيل المثال ، توجد نوى المجرة النشطة والمستعرات الأعظمية في الغالب خارج مستوى مجرة ​​درب التبانة (كائنات خارج المجرة) ، نظرًا لأنه من غير المحتمل رؤية كائنات أخرى عبر مستوى مجرة ​​درب التبانة بسبب الانسداد. يتنبأ النموذج بشكل صحيح بعدد أقل من الأجسام بالقرب من مستوى درب التبانة (خطوط العرض المجرية أقرب إلى 0). تم اكتشاف النجوم المتغيرة بشكل صحيح بكثافة أعلى في مستوى المجرة. تقع الكويكبات بالقرب من مستوى النظام الشمسي ،يُطلق عليه أيضًا مسير الشمس (يتميز بخط أصفر). وتحذيرات كاذبة تحدث في كل مكان.



المعلومات الموجودة في الصور (العلمية والمرجعية والاختلاف) كافية للحصول على تصنيف جيد في مجموعة التدريب ، لكن تكامل المعلومات من البيانات الوصفية كان بالغ الأهمية للحصول على التوزيع المكاني الصحيح للتنبؤات. 





التوزيع المكاني لمجموعة غير مميزة من الأجسام الفلكية. يتم إعطاء كل رسم بياني في إحداثيات المجرة. يقع خط العرض المجري في وسط مجرة ​​درب التبانة ، لذا فإن خطوط العرض القريبة من 0 تكون أيضًا أقرب إلى مستوى درب التبانة. يشير خط الطول المجري إلى مقدار القرص الذي نراه في مستوى مجرة ​​درب التبانة. يمثل الخط الأصفر مستوى النظام الشمسي (مسير الشمس).

صيادو السوبرنوفا

تسمح واجهة الويب لمشروع Supernova Hunter لعلماء الفلك بدراسة الكائنات المختارة بواسطة الشبكة العصبية ، واثقين من أنها مستعرات أعظم. يمكنهم أيضًا الإبلاغ عن عمليات التصنيف الخاطئة التي قام بها النموذج ، مما يسمح بإضافة معلومات جديدة إلى مجموعة التدريب لتحسين أداء الشبكة العصبية لاحقًا.





سوبر نوفا هنتر : واجهة مستخدم للبحث عن المستعر الأعظم. يعرض قائمة التنبيهات ذات الاحتمالية العالية لمعلومات المستعر الأعظم. لكل منهم الصور ، يتم إضافة موضع الكائن والبيانات الوصفية.



أكد مصنف الشبكة العصبية و Supernova Hunter على 394 سوبر نوفا وأبلغ عن 3060 مرشحًا للمستعر الأعظم على خادم الاسم العابرمن 26 يونيو 2019 إلى 21 يوليو 2020 ، تم إطلاق 9.2 مرشحًا للمستعر الأعظم يوميًا. يزيد معدل الملاحظة هذا بشكل كبير من عدد المستعرات الأعظمية المتاحة التي يمكن دراستها في المراحل الأولى من الانفجار.

توقعات - وجهات نظر

يعمل العلماء الآن وراء Supernova Hunter على تحسين خصائص تصنيف النموذج بحيث يحدد بدقة أكبر مرشحين للمستعر الأعظم ويتطلب اهتمامًا بشريًا أقل. من الناحية المثالية ، يجب أن يكون هذا نظامًا يمكنه الإبلاغ تلقائيًا عن كل مرشح مستعر أعظم محتمل بدرجة عالية من الثقة.



مجال آخر من عمل العلماء هو البحث عن الأشياء النادرة باستخدام طرق الكشف الخارجية. هذه مهمة صعبة ولكنها واقعية ، حيث يمكن للتلسكوبات الجديدة أن تكتشف نظريًا أنواعًا جديدة من الأجسام الفلكية بسبب معدل أخذ العينات المذهل وحجم كل ملاحظة.



لن تكون الطريقة الجديدة لتحليل كميات هائلة من البيانات الفلكية مفيدة فحسب ، بل ستكون ضرورية أيضًا ، لأن تنظيم تصنيف البيانات وإعادة توزيعها يعد جزءًا مهمًا من العلم. يغير استخدام التلسكوبات القوية اليوم بشكل أساسي الطريقة التي يدرس بها علماء الفلك الأجرام السماوية ، ويجب أن يكون العلماء مستعدين للعمل مع التقنيات الجديدة.



شكرآ لك على أهتمامك! المقال الأصلي .