الخريطة المفقودة للسماء

الخريطة المفقودة للسماء

هنا، يشرح بريس مينار، وهو فيزيائي فلكي في جامعة جونز هوبكنز وباحث في Anthropic، كيف عمل مع Claude Science لإنتاج أول خريطة كاملة للسماء في الضوء فوق البنفسجي. ستكون هذه الخريطة أداة تعليمية قيّمة، تتيح للطلاب رؤية التركيب الغني للمجرة درب التبانة المرئي عند هذا الطول الموجي بالتفصيل.

السماء بأكملها، مع مركز المجرة في الوسط، في الأشعة فوق البنفسجية (بدمج الأشعة فوق البنفسجية البعيدة 154 نانومتر والأشعة فوق البنفسجية القريبة 232 نانومتر). نحو ثلث هذه الخريطة، بما يشمل جزءاً كبيراً من مستوى المجرة، تُوقّع باستخدام Claude Science وفق الطريقة الموضحة في هذا المنشور. تتيح طبقات إضافية من الخريطة تصنيف كل بكسل على أنه "مُقاس" أو "مُتوقّع" وتقدّم تقديرات لعدم اليقين؛ يمكنكم رؤيتها هنا.

عندما أُدرّس الفيزياء الفلكية، كثيراً ما أبدأ بإظهار طلابي أن مظهر السماء يتغير تماماً بحسب الطول الموجي الذي تُراقَب به. ويُبرز كل طول موجي ملامح مختلفة. في الضوء المرئي، يرى المرء في المقام الأول النجوم. وعند الانتقال إلى الأشعة تحت الحمراء تظهر وهج حبيبات الغبار الدقيقة المتمركزة في حزام على امتداد درب التبانة. وفي الموجات الراديوية، تتلاشى النجوم والغبار ويصبح غاز الهيدروجين—المادة الخام التي تتشكل منها النجوم الجديدة—مرئياً. وفي الأشعة السينية، يمكن للمرء رؤية الظواهر العنيفة، مثل النجوم المنفجرة، أو المادة المتحلقة في سقوطها نحو ثقب أسود. مجتمعةً، تتيح هذه الملامح لعلماء الفلك فهم كيفية انهيار الغاز لتشكيل النجوم، وكيف تزرع النجوم المجرة بالغبار، وكيف تتشكل مجرات مثل مجرتنا.

عند الحديث عن الضوء فوق البنفسجي وكيف يكشف الغبار المضاء بضوء النجوم، من السحب المحيطة بالنجوم الفتية إلى الحلقات التي تخلّفها الانفجارات النجمية، كان عليّ دائماً أن أعتذر. فالخريطة فوق البنفسجية الوحيدة التي كان بإمكاني عرضها كانت مليئة بالفراغات.

لماذا لم توجد خريطة فوق بنفسجية كاملة

يُمتص الضوء فوق البنفسجي بواسطة طبقة الأوزون في الغلاف الجوي، لذا فلمراقبة الكون في طيف UV، لا بد من الذهاب إلى الفضاء. على مدى الـ 50 عامًا الماضية، رصدت التلسكوبات الفضائية أجزاءً من السماء في الأشعة فوق البنفسجية ونشرت بياناتها. لكن الكثير ما يزال غير مرصود.

أكبر مجموعة بيانات تأتي من مهمة GALEX التابعة لناسا، والتي جرت من 2003 إلى 2013 وصوّرت نحو ثلثي السماء في نحو 38,000 رصداً منفصلاً. لكن GALEX تجنّبت عمداً المواقع ذات النجوم شديدة السطوع، بما في ذلك تلك الواقعة على مستوى درب التبانة (القرص المسطّح للمجرة، حيث تتجمع النجوم بأكثر كثافة)، نظراً لخطر تلف كواشف القمر الصناعي. واكتسبت تلسكوبات فضائية أخرى، مثل Swift التابع لناسا وFIMS/SPEAR التابع لكوريا الجنوبية، بيانات إضافية، لكن حتى في مجموعات البيانات المدمجة تلك توجد عدد من القطع المفقودة.

توجد تقنيات إحصائية لتقدير البيانات المفقودة وإنشاء خريطة فوق بنفسجية كاملة للسماء. لكن القيام بذلك على نحو سليم يستغرق أسابيع من العمل الشاق، ويتضمن معايرات دقيقة على مستوى البكسل الواحد وتحليلات متكررة ومتقنة. ومن المفهوم أن الفيزيائيين الفلكيين يميلون إلى ترك هذا النوع من العمل جانباً سعياً وراء أبحاث أكثر إلحاحاً. معظم المجالات لديها تراكم من مشاريع مماثلة، من شأنها أن تشرح مفهوماً رئيسياً أو تساعد باحثين آخرين، لكنها لا ترتفع بما يكفي في قائمة أحدٍ لتُنجز. مع Claude، أصبح التعامل مع هذا العمل الأقل أولوية أسهل.

بناء الخريطة المفقودة

في هذا الصيف، انطلقت لأصنع خريطة فوق بنفسجية كاملة للسماء بواسطة Claude Science. كانت التعليمات بسيطة الصياغة، لكنها ليست سهلة التنفيذ: اجمع كل مجموعة بيانات فوق بنفسجية متاحة، وضعها جميعاً على مقياس مشترك، وادمجها في خريطة واحدة، واملأ كل رقعة من السماء لم يرصدها أي تلسكوب فوق بنفسجي قط.

ولتحقيق ذلك، نسّق Claude فريقاً من وكلاء الذكاء الاصطناعي. أولاً، بحث الوكلاء في الويب عن المسوحات الفلكية فوق البنفسجية المتاحة للعموم، ويضم كل منها مجموعة ضخمة من نقاط البيانات أو الصور الفردية—عشرات آلاف الصور، في حالة مهمة GALEX التابعة لناسا—التُقطت على مدى عدة سنوات وتحت ظروف متفاوتة.

بعد تنزيل البيانات، اضطر الوكلاء إلى جعل كل مسح متسقاً داخلياً، بحيث يمكن مقارنة صورة التُقطت في فترة زمنية معينة بصورة التُقطت في فترة أخرى. وقد تطلّب ذلك إيلاء اهتمام خاص للمناطق المحيطة بالنجوم الساطعة. وكما يمكن للشمس أو عمود إنارة أن يضيف وهجاً إلى صورة هنا على الأرض، يمكن للنجوم أن تضيف وهجاً إلى صورة للسماء التُقطت بتلسكوب فضائي. ولا بد من إزالة ذلك الوهج قبل أن يمكن قياس الضوء فوق البنفسجي الخافت حول النجوم بدقة. وتمكّن وكلاء كثيرون، يعملون بالتوازي على مناطق مختلفة من السماء، من توحيد هذه الاختلافات.

بعد ذلك، كان لا بد من دمج المسوحات. فقد جُمعت مجموعات البيانات بواسطة أجهزة مختلفة على تلسكوبات مختلفة، وكل واحد منها يلتقط السماء فوق البنفسجية بشكل مختلف قليلاً، فكان لا بد من معايرتها المتقاطعة فيما بينها، وإعادة رسمها بالدقة نفسها، وربطها بنظام إحداثيات مشترك قبل دمجها في خريطة واحدة. وقدّمت تعليمات عامة عالية المستوى إلى Claude حول كيفية القيام بذلك، وكلّف Claude فريقاً من الوكلاء بالمهام.

ثم جاء الجزء الأصعب: ملء الفجوات في الخريطة. فنحو ثلث السماء لم يُرصد قط في الأشعة فوق البنفسجية. وللمعالجة بتلك البقع الفارغة، طلبت من Claude Science استخدام تقنية تسمى inpainting—وهي عملية شائعة في التعلم الآلي، يُدرَّب فيها نموذج على ملايين الصور فيتعلم كيف يرتبط كل جزء من الصورة بمحيطه، ويستخدم تلك المعرفة لاستعادة الأجزاء التالفة أو المفقودة من الصورة.

دمج كلود هذا النهج مع معلومات إضافية كانت رهن إشارتنا. حيثما تنقص بيانات الأشعة فوق البنفسجية، لدينا مشاهدات عند أطوال موجية أخرى، بما في ذلك الضوء المرئي والأشعة تحت الحمراء والراديو. باستخدام ثلثي السماء اللذين تمت تغطيتهما بالأشعة فوق البنفسجية، تعلّم كلود كيف ترتبط سطوع الأشعة فوق البنفسجية بهذه الأطوال الموجية الأخرى. ثم طبّق تلك العلاقة على ثلث السماء الذي لا توجد له بيانات فوق بنفسجية، وقدّر كيف ينبغي أن يبدو عند كل نقطة، ومدى ثقته في ذلك التقدير.

وللتحقق من دقة تنبؤات النموذج، طلبت من كلود أن يأخذ مناطق لدينا لها بيانات فوق بنفسجية بالفعل ويحجز أجزاءً منها عمدًا، منتجهًا بذلك أنواع الرقع الفارغة التي صُمم الـ inpainting لملئها. وعلى النموذج أن يستخدم ما تعلمه لاستكمال الصورة دون الوصول إلى القيم الحقيقية. بعد عدة جولات من التحسين، تمكّن من تقدير البيانات المخفية ضمن نحو 10% من قياسات الأشعة فوق البنفسجية الحقيقية، وهو فرق يكاد لا تدركه العين البشرية.

وأخيرًا، فوق هذه الخلفية المنتشرة المكتملة بالـ inpainting، أضاف كلود تقديرات للضوء فوق البنفسجي من أكثر من 100 مليون نجم مفرد، استُنتجت من قياسات قمر غايا التابع لوكالة الفضاء الأوروبية في الضوء المرئي. وهكذا اكتملت النسخة الأولى من الخريطة الكاملة للسماء بالأشعة فوق البنفسجية.

التجربة والخطأ

لم يحصل كلود على كل شيء صحيح من المحاولة الأولى. فبينما كنت أتفحص الصور المعالجة ذات مساء، على سبيل المثال، لاحظت شيئًا غير سليم في أحد أعتف الحقول: دوائر باهتة، كل منها أفتح أو أغمق قليلًا من جيراتها.

كانت هذه آثار مشاهدات GALEX الفردية. فكل صورة من GALEX تلتقط رقعة دائرية من السماء، وكل منها يحتوي على توهج فوق بنفسجي طفيف غير متجانس تمامًا مصدره الغلاف الجوي للأرض. وإذا لم يُزَل ذلك التوهج كليًا، تظهر كل دائرة أفتح أو أغمق قليلًا من المحيطة بها. كان كلود قد أدرج هذا كمشكلة معروفة في بداية المشروع، لكن الخريطة اجتازت مع ذلك جولتي مراجعة من قِبل وكلاء آخرين دون أن يُكتشف الخطأ.

قلت لكلود: «أستطيع أن أرى أقراصًا تحمل بصمة المشاهدات الفردية؛ هل يمكنك تصحيح ذلك؟» تتبّع الوكلاء المشكلة إلى بقايا التوهج الجوي. ثم صحّح كلود ذلك التوهج في جميع المشاهدات البالغة 38,000. وبعد ساعات قليلة من المعالجة، اختفت الدوائر.

الخريطة النهائية

معًا، أنشأتُ مع كلود أكثر من دزينة من الإصدارات المتعاقبة للخريطة، كل منها أكثر صقلًا من سابقتها. امتد تعاوننا على عدة أيام واتخذ إيقاعًا يمكن توقعه: كنت أجري عدة تبادلات داخل Claude Science للتخطيط للخطوات التالية، ثم كان كلود يؤدي ساعات من الحسابات بشكل مستقل، بينما عُدت للعمل على مشاريع أخرى.

تعرض الخريطة المكتملة السماء بأكملها في ضوء الأشعة فوق البنفسجية، وتُظهر بنىً مثيرة للاهتمام كثيرة: سحب غبارية تتوهج حول نجوم شابة مضيئة، وحلقات وحلزونات غبارية عملاقة تتتبع فقاعات غازية دفعتها انفجارات النجوم الضخمة. وبعيدًا عن المستوى المجرّي، تمتد خيوط غبارية باهتة عبر السماء، يضيئها ضوء نجوم المجرة بأكملها مجتمعةً. وتحت المستوى تقع سحابتا ماجلان الكبرى والصغرى، مجرتان جارتان صغيرتان تتألقان بالنجوم الشابة. أرى أنها جميلة—ويمكن أن تنضم إلى الخرائط الكنسية الأخرى في مساعدة أجيال من الطلاب على تقدير تنوع العمليات الفيزيائية العاملة في مجرتنا.

هذه المرة، تمكنت من متابعة مشروع كهذا دون التضحية بوقت كنت سأكرّسه لغيره من البحوث. وأظن أن كثيرين من العلماء يمكنهم التفكير في خريطة أو شكل بياني أو مورد يؤجلونه للسبب ذاته.

شكر وتقدير

القياسات المستخدمة لإنشاء هذه الخريطة من GALEX و Swift (ناسا)، FIMS/SPEAR (كوريا)، TD-1 (أوروبا)، و Planck و Gaia (الوكالة الأوروبية للفضاء). وأنا ممتن لكل من شارك في هذه البعثات وفي إتاحة البيانات للعموم. وقد أسهم وكلاء كثيرون يعملون في Claude Science بالجهد الصبور في تجميع هذه الخريطة. وكان إسهامي محدودًا في توجيههم خلال العملية.

اشترك في نشرة Anthropic Science البريدية

مقالات عن الاكتشافات المدعومة بالذكاء الاصطناعي، وسير العمل العملية، وملاحظات ميدانية عبر مختلف العلوم.