איך זיהוי פנים עוזר לאסטרונומים לחשוף את סודות החומר האפל

יכול להיות אותה טכנולוגיה שרגילה לפתוח סמארטפונים של אנשים גם לעזור לגלות את סודות היקום? זה אולי נשמע לא סביר, אבל זה בדיוק מה שחוקרים מהאוניברסיטה המתמקדת במדע וטכנולוגיה של שוויץ ETH ציריך פועלים להשיג.

שימוש בווריאציה של סוג הרשת העצבית של בינה מלאכותית מאחורי זיהוי הפנים של היום טכנולוגיה, הם פיתחו A.I חדש. כלים שיכולים להוכיח כמשנה משחק בגילוי מה שנקרא “חומר אפל." פיזיקאים מאמינים שהבנת החומר המסתורי הזה נחוצה כדי להסביר שאלות בסיסיות על המבנה הבסיסי של היקום.

"האלגוריתם שבו אנו [משתמשים] קרוב מאוד למה שנהוג להשתמש בו בזיהוי פנים," ג'ניס פלורי, דוקטורט. סטודנט שעובד במעבדה של ETH בציריך התמקד ביישום רשתות עצביות לבעיות קוסמולוגיות, אמר ל-Digital Trends. "היופי של A.I. זה שהוא יכול ללמוד בעצם מכל נתונים. בזיהוי פנים, הוא לומד לזהות עיניים, פיות ואף, בזמן שאנו מחפשים מבנים שנותנים לנו רמזים לגבי חומר אפל. זיהוי דפוס זה הוא בעצם הליבה של האלגוריתם. בסופו של דבר, התאמנו אותו רק כדי להסיק את הפרמטרים הקוסמולוגיים הבסיסיים."

החומר האפל חשוב

אבל מה בדיוק מחפשים החוקרים? כרגע, זה לא לגמרי ידוע. אבל כפי שקבע שופט בית המשפט העליון של ארצות הברית פוטר סטיוארט באופן בלתי נשכח על גסות, "אני יודע את זה כשאני רואה את זה". או ליתר דיוק לא - כי אי אפשר לראות את זה. אבל מדענים יידעו את זה ברגע שהם מצאו את זה. ברוכים הבאים לעולם המוזר של החומר האפל.

קיומו של חומר אפל בצורה כלשהי נשער כבר יותר ממאה שנה. משערים שהוא מהווה כ-27% מהיקום, ומשקף את החומר הנראה ביחס של שישה לאחד בערך. כל מה ביקום שאנו יכולים לזהות - כל החומר האטומי המרכיב גלקסיות, כוכבים, כוכבי לכת, חיים על כדור הארץ, המכשיר שעליו אתה קורא את המאמר הזה - הוא רק חלק זעיר וזעיר מכל החומר קיים. לא ניתן לעקוב ישירות אחר חלקו המכריע. הוא בלתי נראה ומסוגל לעבור ישר דרך חומר גלוי רגיל.

במקום זאת, קיומו מבוסס על התצפיות שלנו על אופן פעולת היקום; כמו בן בית שאתה אף פעם לא רואה אבל בטוח שקיים כי חצי מהחשבונות משלמים ומישהו משתמש מדי פעם במקלחת מתי שאתה רוצה. רק במקרה זה, זה בגלל שמדענים גילו שהמהירות שבה הגלקסיות מסתובבות היא מהירים מספיק כדי שלא ניתן היה להחזיק אותם יחד רק על ידי כוח המשיכה שנוצר על ידי הנצפה חוֹמֶר. לפיכך, משערים שהחומר האפל הוא המרכיבים הסודיים שנותנים לגלקסיות הללו את המסה הנוספת שהן דורשות כדי לא לקרוע את עצמן כמו שקית נייר אובדנית. זה מה שמניע חומר רגיל בצורת אבק וגז להיאסף ולהתכנס לכוכבים וגלקסיות.

עדשת כבידה חלשה להצלה

לחפש משהו שאי אפשר להסתכל עליו נשמע קשה. זה. אבל יש דרך שמדענים מסוגלים לאתר היכן הם חושבים שהחומר האפל נמצא בסבירות הגבוהה ביותר. הם עושים זאת על ידי הסתכלות על הדרכים העדינות שבהן האור שכוח המשיכה של צבירי גלקסיות גדולים מכופף ומעוות את האור מגלקסיות רחוקות יותר. זה נקרא עדשת כבידה חלשה.

התבוננות באזורים סביב צבירי גלקסיות מסיביים מאפשרת לאסטרונומים לזהות גלקסיות רקע שנראות מעוותות. על ידי הנדסה לאחור של העיוותים הללו הם יכולים לבודד את המקום שבו הם מאמינים שניתן למצוא את הריכוזים הצפופים ביותר של חומר, גלוי ובלתי נראה. תחשוב על זה כמו אפקט התעתועים שגורם לתמונות רחוקות להיות מטושטשות ומנצנצות ביום חם - רק הרבה יותר רחוק.

"בעבר היה ללמוד מפות עדשות חלשות על ידי בחירה ידנית של התכונות הרלוונטיות", הסבירה ג'ניס פלורי. "זו משימה מאוד מסובכת ואין ערובה לכך שהתכונות שנבחרו מכילות את כל המידע הרלוונטי. אנו פותרים בעיה זו עם ה-A.I. גִישָׁה. הרשתות העצביות הקונבולוציוניות המשמשות בעבודתנו מצטיינות בזיהוי תבניות."

רשת נוירונים מפותלת היא סוג של בינה מלאכותית בהשראת המוח המשמשת לעתים קרובות למשימות סיווג תמונות. אמנם לנוירונים שלו עדיין יש את המשקולות וההטיות הניתנות ללמידה של רשתות עצביות קונבנציונליות (כלומר הדברים שמאפשרים לה למד), ההנחה המפורשת שלו שהיא עוסקת בתמונות כקלט מאפשר ליוצריה להפחית את מספר הפרמטרים ב- רֶשֶׁת. זה עושה את זה יותר יעיל.

"באופן גס, [זה עובד בכך שאנו מספקים לרשתות] כמות גדולה של נתונים הם יוצרים אוטומטית קבוצה של מסננים מורכבים כדי לחלץ את המידע הרלוונטי של המפות", ד"ר תומאש קפצ'ק, אחד השותפים האחרים של הפרויקט, סיפר ל-Digital Trends. "אז הוא מנסה לשלב בצורה אופטימלית את המסננים האלה כדי לתת תשובה מדויקת ככל האפשר."

חילוץ הפרמטרים הקוסמולוגיים

החוקרים אימנו את הרשת העצבית שלהם על ידי הזנתה בנתונים שנוצרו על ידי מחשב המדמים את היקום. זה איפשר לו לנתח שוב ושוב מפות חומר אפל כדי להיות מסוגל לחלץ "פרמטרים קוסמולוגיים" מתמונות אמיתיות של שמי הלילה. התוצאות הראו שיפורים של 30% בהשוואה לשיטות מסורתיות, המבוססות על ניתוח סטטיסטי מעשה ידי אדם.

"ה-A.I. האלגוריתם זקוק להרבה נתונים כדי ללמוד בשלב ההכשרה", המשיך פלורי. "חשוב מאוד שנתוני האימון הללו, במקרה שלנו, יהיו מדויקים ככל האפשר. אחרת, הוא ילמד תכונות שאינן קיימות בנתונים אמיתיים. לשם כך, היינו צריכים ליצור הרבה סימולציה גדולה ומדויקת, וזה היה מאוד מאתגר. לאחר מכן, היינו צריכים לשנות את האלגוריתם כדי להשיג ביצועים שיא. זה נעשה על ידי בדיקת ארכיטקטורות רשת מרובות כדי לייעל את הביצועים."

לאחר מכן הם השתמשו ברשת העצבית המאומנת במלואה כדי לנתח מפות חומר אפל בפועל. אלה הגיעו ממה שנקרא מערך נתונים של KiDS-450, שנעשה באמצעות טלסקופ הסקר VLT (VST) בצ'ילה. מערך הנתונים מכסה שטח כולל של פי 2,200 מגודל הירח המלא. הוא מכיל תיעודים של כ-15 מיליון גלקסיות.

בגלל כמות הנתונים הגדולה במיוחד הזו, החוקרים נזקקו למחשב-על כדי להפעיל את הבינה המלאכותית שלהם. בסופו של דבר הם ניהלו את ה-A.I שלהם. במחשב במרכז המחשוב הלאומי של שוויץ בלוגאנו, עיר בדרום שוויץ הגובלת באיטליה. מחשבי העל ב-CSCS זמינים לכל האוניברסיטאות ומוסדות המחקר בשוויץ. המכונות שלה כל כך חזקות שכדי למנוע מהן להתחמם יתר על המידה, מים מאגם לוגאנו הסמוך נשאב לקירור בקצב של 460 ליטר לשנייה.

A.I קוסמולוגי

"זה היה היישום הראשון של A.I. לנתונים קוסמולוגיים אמיתיים, כולל כל ההיבטים המעשיים הנלווים אליהם", אמר פלורי. "יכולנו להראות שהשיטה שלנו מניבה תוצאות עקביות על מערך נתונים קטן יחסית. אנו מקווים להשתמש באותה שיטה בתצפיות גדולות יותר, אך גם למדוד פרמטרים קוסמולוגיים נוספים כדי לחקור היבטים אחרים של הפיזיקה הקוסמולוגית. לבסוף, אנו מקווים ללמוד תובנות חדשות על המגזר האפל של היקום".

לדברי פלורי, הצוות עבר כעת מעבר למערך הנתונים של KiDS-450, "כיוון שישנם מערכי נתונים חדשים וטובים יותר כעת." אחד במיוחד הוא סקר אנרגיה אפלה, סקר בקנה מידה עצום גלוי וכמעט אינפרא אדום שבוצע על ידי מוסדות מחקר ואוניברסיטאות מארה"ב, ברזיל, בריטניה, גרמניה, ספרד ושוויץ.

"עם זאת, לפני שנוכל לנתח מערכי נתונים חדשים, עלינו להתאים את השיטה כך שתוכל להתמודד עם נפח הנתונים המוגדל", אמר פלורי. "כרגע אנחנו מתנסים בכמה שיטות כדי להשיג זאת. לאחר מכן נדון במערך הנתונים הבא שאנו רוצים לנתח. אני לא יכול לתת לך עדיין לוח זמנים, מכיוון שהוא תלוי במערך הנתונים הנבחר ובדרישות של הסימולציות."

מאמר המתאר את העבודה היה פורסם לאחרונה בכתב העת Physical Review D.

המלצות עורכים

• חוקרים רוצים להשתמש בגלי כבידה כדי ללמוד על החומר האפל
• כיצד לצפות בשיגור טלסקופ החומר האפל אוקלידס בשבת זו
• מגע אחרון: כיצד מדענים נותנים לרובוטים חוש מישוש דמוי אנוש
• האבל לוכד צביר גלקסיות ענק שיכול לעזור לנו להבין חומר אפל
• האם יכולים להיווצר חורים שחורים סופר מסיביים מחומר אפל?