Astronomia përballet me një problem të madh të të dhënave dhe simulimi i imazheve realistike të qiellit mund të ndihmojë në trajnimin e algoritmeve

Astronomët profesionistë nuk bëjnë zbulime duke parë përmes një syze, siç do të bëni ju me një teleskop amator. Në vend të kësaj, ata mbledhin imazhe dixhitale në kamera të mëdha të bashkuara me teleskopë të mëdhenj.

Ashtu si ju mund të keni një bibliotekë të pafundme me foto dixhitale të ruajtura në celularin tuaj, shumë astronomë mbledhin më shumë foto sesa mund të kishin kohë për t’i parë ndonjëherë. Në vend të kësaj, astronomë si unë analizojnë disa prej imazheve, krijojnë algoritme dhe më pas përdorin kompjuterë për të kombinuar dhe analizuar pjesën tjetër.

Por si mund të dimë nëse algoritmet që shkruajmë do të funksionojnë, nëse nuk kemi kohë të shikojmë të gjitha imazhet? Mund t’i trajnojmë ato me disa prej imazheve, por një mënyrë e re për të krijuar algoritmet më të mira është të simuloni disa imazhe “të rreme” me sa më shumë saktësi të mundshme.

Në këto imazhe të simuluara mund të personalizojmë pronat e sakta të objekteve. Në këtë mënyrë, mund të shohim nëse algoritmet që po trajnojmë mund të zbulojnë këto pronat në mënyrë të saktë.

Grupi im i kërkimit dhe bashkëpunëtorët zbuluan se mënyra më e mirë për të krijuar imazhe astronomike “të rreme”, por realistike, është të simuloni me kujdes dritën dhe ndërveprimin e saj me gjithçka që ajo gjen. Drita përbëhet nga partikula të quajtura fotonë, dhe ne mund të simulojmë çdo foton. Ne shkruam një kod që është i disponueshëm publikisht për ta bërë këtë, të quajtur Simuluesi i Fotonëve (“Photon Simulator), ose PhoSim.

Qëllimi i projektit PhoSim është të krijojë imazhe të simuluara realistike që na ndihmojnë të kuptojmë nga vijnë deformimet në imazhet e teleskopëve të vërtetë. Këto imazhe mund të na ndihmojnë pastaj të trajnojmë programe që klasifikojnë imazhe të vërteta të teleskopëve. Dhe rezultatet e studimeve që përdorin PhoSim gjithashtu mund të ndihmojnë astronomët të korrigjojnë deformimet dhe defektet në imazhet e tyre të vërteta të teleskopëve.

Një valë e madhe të dhënash

Por, para së gjithash, pse ka kaq shumë të dhëna astronomike? Kjo vjen kryesisht për shkak të shfaqjes së teleskopëve të dedikuar për hulumtime. Një teleskop hulumtimi harton një rajon të qiellit, në vend që të drejtohet vetëm drejt objekteve të caktuara.

Të gjitha këto observatorë kanë një zonë të madhe mbledhjeje, një fushë të gjerë shikimi dhe një mënyrë kërkimi të dedikuar për të mbledhur sa më shumë dritë gjatë një periudhe të caktuar. Hulumtimet kryesore të këtij lloji në dy dekadat e fundit përfshijnë SDSS, Kepler, Blanco-DECam, Subaru HSC, TESS, ZTF dhe Euclid.

Observatori Vera Rubin, në Chile, ka përfunduar së ndërtuari kohët e fundit dhe së shpejti do të bashkohet me këto observatorë. Hulumtimi i tij filloi menjëherë pas ngjarjes zyrtare të ”first look“ më 23 qershor 2025.

O Observatori Vera Rubin do të ketë një grup burimesh për kërkime veçanërisht të fuqishme. Ai mund të vëzhgojë një rajon të qiellit disa herë më të madh se Hëna e plotë në një herë dhe mund të kërkojë të gjithë hemisferën qiellore jugore çdo disa netë.

Një vlerësim mund të ndihmojë për të sqaruar pothuajse të gjitha temat e astronomisë. Disa nga pyetjet kërkimore më ambicioze përfshijnë: të bëjnë matje mbi materinë e errët dhe energjinë e errët, të hartojnë shpërndarjen e yjeve të Rripit të Madh, të gjejnë asteroidë në Sistemin Diellor, të ndërtojnë një hartë tridimensionale të galaktikave në Univers, të gjejnë planetë të rinj jashtë Sistemit Diellor dhe të gjurmojnë miliona objekte që ndryshojnë me kalimin e kohës, duke përfshirë supernova.

Të gjitha këto kërkime gjenerojnë një sasi të madhe të dhënash. Ato prodhojnë dhjetëra terabajt çdo natë – ose në mënyrë tjetër, miliona deri në miliarda pixelë të mbledhura në sekonda. Në rastin ekstrem të Observatorit Rubin, nëse do të shikoje gjithë ditën imazhe të barasvlershme me madhësinë e një ekrani televizori 4K për rreth një sekondë secila, do të shikoje 25 herë më ngadalë se sa prodhohen imazhet dhe kurrë nuk do të mund të përcjellësh gjithçka.

Në këtë ritëm, asnjë njeri nuk do të mund të shikonte të gjitha imazhet. Por programet e automatizuara mund të përpunojnë këto të dhëna.

Astronomët gjithashtu nuk vëzhgojnë një objekt astronomik si një planet, galaksi ose supernova vetëm një herë. Shpesh, matim bëjnë për madhësinë, formën, shkëlqimin dhe pozicionin e të njëjtit objekt në shumë mënyra të ndryshme dhe nën shumë kushte të ndryshme.

Por më shumë matje sjellin më shumë komplikacione. Për shembull, matjet e bëra nën kushte të caktuara klimatike ose në një pjesë të kamerës mund të kundërshtojnë të tjera 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 korrigjohen, ne mund të përdorim të gjitha imazhet dhe të bëjmë matje më të detajuara.

Simulimi i një fotoni për herë të parë

Për të kuptuar origjinën e këtyre gabimeve sistematike, kemi krijuar PhoSim, i cili mund të simulojë përhapjen e grimcave të dritës – fotonëve – përmes atmosferës tokësore dhe, më pas, për në teleskop dhe kamerë.

PhoSim simulon atmosferën, duke përfshirë turbulencën e ajrit, si dhe deformimet e formës së pasqyrave të teleskopit dhe vetitë elektrike të sensorëve. Fotone përhapen duke përdorur një gamë të gjerë fizikash që parashikojnë atë që bëjnë fotonet kur takohen me ajrin dhe pasqyrat dhe lentet e teleskopit.

Simulimi përfundon duke mbledhur elektronet që janë ejetuar nga fotonet në një rrjet piksellash, për të formuar një imazh.

Të përfaqësosh dritën si triliona fotone është efikas në përllogaritje dhe një aplikim i një metode matematikore të njohur si Monte Carlo, e cila përdor mostra të rastësishme. Kërkuesit përdorën PhoSim për të verifikuar disa aspekte të projektimit të Observatorit Rubin dhe për të vlerësuar si do të dukej imazhet e tij.

Rezultatet janë komplekse, por deri tani kemi lidhur ndryshimin e temperaturës në pasqyrat e teleskopit direkt me astigmatizmin – paqartësi këndore – në imazhe. Gjithashtu kemi studiuar se si trazimi në lartësi të lartë në atmosferë, i cili mund të shqetësojë dritën në rrugën e saj drejt teleskopit, ndryshon pozicionet e yjeve dhe galaktikave në imazh dhe shkakton modele të paqartësisë që lidhen me erën. Demonstruam se si fushat elektrike në sensorët e teleskopit – të cilat duhet 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 mirë nga të gjitha të dhënat e mbledhura nga teleskopët.

Tradicionalisht, analizat astronomike nuk u kushtonin vëmendje këtij niveli detaji, por matjet e kujdesshme të nevojshme nga sondazhet aktuale dhe të ardhshme sjellin këtë shqetësim. Astronomët mund të shfrytëzojnë maksimalisht këtë rrjedhje të të dhënave duke përdorur simulime për të arritur një nivel më të thellë të kuptimit mbi Universin tonë.