Astronomia ka një problem të madh me të dhënat – simulimi i imazheve të realiste të qiellit mund të ndihmojë në trajnim të algoritmeve

Astronomët profesionistë nuk bëjnë zbulime duke parë përmes një syze siç mund të bëni ju me një teleskop në oborr. Përkundrazi, ata mbledhin imazhe dixhitale në kamera masive të bashkuara me teleskopë të mëdhenj.

Ashtu siç mund të keni një bibliotekë të pafundme me foto dixhitale të ruajtura në telefonin tuaj, shumë astronomë mbledhin më shumë foto sesa do të kishin kohë të shikonin ndonjëherë. Në vend të kësaj, astronomët si unë shikojnë disa nga imazhet, pastaj ndërtojnë algoritme dhe më pas përdorin kompjuterët për të kombinuar dhe analizuar pjesën tjetër.

Por si mund të dimë se algoritmet që shkruajmë do të funksionojnë, kur ne nuk kemi madje kohë të shikojmë të gjitha imazhet? Mund të praktikojmë në disa prej imazheve, por një mënyrë e re për të ndërtuar algoritmet më të mira është të simuloni disa imazhe të rreme sa më saktë të jetë e mundur.

Me imazhe të rreme, ne mund të personalizojmë saktësisht vetitë e objekteve në imazh. Në këtë mënyrë, ne mund të shohim nëse algoritmet që po trajnojmë mund të zbulojnë ato vetitë në mënyrë të saktë.

Grupi im kërkimor dhe bashkëpunëtorët e mi kanë zbuluar se mënyra më e mirë për të krijuar imazhe astronomike të rreme por të besueshme është të simuloni me kujdes dritën dhe ndërveprimin e saj me gjithçka që ajo takohet. Drita përbëhet nga partikula të quajtura fotone, dhe ne mund të simulojmë çdo foton. Ne shkruam një kod të disponueshëm publikisht për ta bërë këtë të quajtur simulatori i fotoneve, ose PhoSim.

Qëllimi i projektit PhoSim është të krijojë imazhe të rreme të besueshme që na ndihmojnë të kuptojmë nga vijnë deformimet në imazhet nga teleskopët e vërtetë. Imazhet e rreme na ndihmojnë të trajnojmë programet që klasifikojnë imazhet nga teleskopët e vërtetë. Dhe rezultatet nga studimet duke përdorur PhoSim mund të ndihmojnë gjithashtu astronomët të korrigjojnë deformimet dhe defektet në imazhet e tyre të vërteta të teleskopëve.

Përmbytja e të dhënave

Por së pari, pse ka kaq shumë të dhëna astronomike në radhë të parë? Kjo është kryesisht për shkak të rritjes së teleskopëve të veçantë për sondazhe. Një teleskop sondazhi harton një rajon në qiell në vend që thjesht të drejtojë drejt objekteve të veçanta.

Këto observatorë të gjithë kanë një sipërfaqe të madhe mbledhjeje, një fushë të madhe shikimi dhe një modalitet të dedikuar sondazhi për të mbledhur sa më shumë dritë gjatë një periudhe kohe. Sondazhet kryesore nga dy dekadat e fundit përfshijnë SDSS, Kepler, Blanco-DECam, Subaru HSC, TESS, ZTF dhe Euclid.

Observatori Vera Rubin në Chile kohët e fundit ka përfunduar ndërtimin dhe së shpejti do t’u bashkohet atyre. Sondazhi i tij fillon së shpejti pas ngjarjes zyrtare “shikimi i parë” më 23 qershor 2025

. Ai do të ketë një grup veçorish të fuqishme të sondazhit.

Observatori Rubin mund të shikojë një rajon të qiellit të gjithë njëherësh që është disa herë më i madh se Hëna e plotë, dhe mund të sondazhojë të gjithë hemisferën jugore të qiellit çdo disa netë.

Një studim mund të ndriçojë praktikisht çdo temë në astronomi.

Disa nga pyetjet ambicioze të kërkimit përfshijnë: bërë matje rreth materies së errët dhe energjisë së errët, hartimin e shpërndarjes së yjeve të Rrëshqitjes së Madh, gjetjen e asteroidëve në sistemin diellor, ndërtimin e një harta tre-dimensionale të galaktikave në univers, gjetjen e planetëve të rinj jashtë sistemit diellor, dhe ndjekjen e miliona objekteve që ndryshojnë me kalimin e kohës, duke përfshirë supernova.

Të gjitha këto sondazhe krijojnë një përmbytje të madhe të të dhënave. Ato gjenerojnë dhjetëra terabajtë çdo natë – që është miliona deri në miliarda piksele të mbledhura në sekonda. Në rastin ekstrem të observatorit Rubin, nëse do të shikoje gjithë ditën imazhe që përputhen me madhësinë e një ekrani televizori 4K për rreth një sekondë secila, do t’i shikoje ato 25 herë më ngadalë dhe kurrë nuk do të arrije të përballosh.

Me këtë ritëm, asnjë njeri i vetëm nuk mund të shikojë të gjitha imazhet. Por programet e automatizuara mund të përpunojnë të dhënat.

Astronomët nuk vetëm që sondazhojnë një objekt astronomik si një planet, galaktikë ose supernovë një herë. Shpesh matim e madhësisë, formës, ndriçimit dhe pozicionit të të njëjtit objekt në shumë mënyra të ndryshme nën shumë kushte të ndryshme.

Por më shumë matje vijnë edhe më shumë komplikacione. Për shembull, matjet e bëra nën kushte të caktuara moti ose në një pjesë të kamerës mund të mos pajtohen me të tjerat në vende të ndryshme ose nën kushte të ndryshme. Astronomët mund të korrigjojnë këto gabime – të quajtura sistematike – me kalibrim të kujdesshëm ose algoritme, por vetëm nëse kuptojmë arsyen e papajtueshmërisë midis matjeve të ndryshme. Këtu hyn PhoSim. Pasi të korrigjohet, ne mund të përdorim të gjitha imazhet dhe të bëjmë matje më të detajuara.

Simulime: Një foton në kohë

Për të kuptuar origjinën e këtyre sistematikave, ne ndërtuam PhoSim, i cili mund të simulojë përhapjen e grimcave të dritës – fotoneve – përmes atmosferës së Tokës dhe pastaj në teleskop dhe kamerë.

PhoSim simulohet atmosferën, duke përfshirë turbulence të ajrit, si dhe deformimet nga forma e pasqyrave të teleskopit dhe vetitë elektrike të sensorëve. Fotone përhapen duke përdorur një shumëllojshmëri fizikash që parashikojnë atë që bëjnë fotonet kur takohen me ajrin dhe pasqyrat dhe lentet e teleskopit.

Simulimi përfundon duke mbledhur elektronët që janë shkarkuar nga fotonet në një rrjet piksela, për të bërë një imazh.

Të përfaqësosh dritën si triliona fotone është efikas në përllogaritje dhe një aplikim i metodës Monte Carlo, e cila përdor mostra të rastësishme. Hulumtuesit përdorën PhoSim për të verifikuar disa aspekte të dizajnit të observatorit Rubin dhe për të vlerësuar si do të dukej imazhet e tij.

Rezultatet janë komplekse, por deri tani kemi lidhur ndryshimin në temperaturë nëpër reflektorët e teleskopit drejtpërdrejt me astigmatizmin – turbullirjen këndore – në imazhe. Gjithashtu kemi studiuar se si turbulence në lartësi të lartë në atmosferë që mund të shqetësojë dritën në rrugën e saj drejt teleskopit ndryshon pozicionet e yjeve dhe galaktikave në imazh dhe shkakton modele turbullire që korrespondojnë me erën. Ne kemi demonstruar se si fushat elektrike në sensorët e teleskopit – të cilat janë të destinuara të jenë vertikale – mund të deformohen dhe të ndryshojnë imazhet.

Hulumtuesit mund të përdorin këto rezultate të reja për të korrigjuar matjet e tyre dhe për të përfituar më shumë nga të gjitha të dhënat që mbledhin teleskopët.

Tradicionalisht, analizat astronomike nuk kanë shqetësuar për këtë nivel detaji, por matjet e kujdesshme me anketat aktuale dhe të ardhshme do të duhet të bëhen. Astronomët mund të shfrytëzojnë këtë rrëzëllim të të dhënave duke përdorur simulime për të arritur një nivel më të thellë të kuptimit.