ИИ помогает ученым понять космические взрывы

Автор: Pixabay/CC0 Public Domain

Многие звезды во Вселенной закончат свою жизнь в виде белых карликов — компактных звезд, масса которых равна массе Солнца по размеру Земли. Некоторые из этих белых карликов в конечном итоге взорвутся как сверхновые. Этот процесс очень энергичен и приводит к созданию тяжелых элементов, которые являются строительными блоками жизни, таких как кальций и железо, которые высвобождаются обратно во Вселенную.

Несмотря на их значимость, астрономы до сих пор точно не знают, как и почему возникают эти сверхновые.

Чтобы помочь понять больше, в новом исследовании будет использоваться тип искусственного интеллекта, известный как машинное обучение, для ускорения экспериментов со сверхновыми — процессов, которые в настоящее время очень дороги в вычислительном отношении и отнимают много времени. Это поможет выяснить, как происходили эти космические взрывы, путем сравнения моделей взрывов с реальными наблюдениями.

Ведущий автор доктор Марк Маги с факультета физики Уорикского университета сказал: «Исследуя сверхновые, мы анализируем их спектры. Спектры показывают интенсивность света на разных длинах волн, на которую влияют элементы, созданные в сверхновой. Каждый элемент взаимодействует со светом на уникальных длинах волн и, следовательно, оставляет уникальную подпись в спектрах.

«Анализ этих сигнатур может помочь определить, какие элементы создаются в сверхновой, и предоставить дополнительную информацию о том, как взорвалась сверхновая.

«На основе этих данных мы готовим модели, которые сравниваются с реальными сверхновыми, чтобы установить, какой это тип сверхновой и как именно она взорвалась. Обычно создание одной модели может занять 10–90 минут, и мы хотим сравнить сотни или тысячи модели, чтобы полностью понять сверхновую, во многих случаях это невозможно.

«Наше новое исследование позволит отойти от этого длительного процесса. Мы будем обучать алгоритмы машинного обучения тому, как выглядят различные типы взрывов, и использовать их для гораздо более быстрого создания моделей. Аналогично тому, как мы можем использовать ИИ для создания новых произведений искусства. или текст, теперь мы сможем создавать модели сверхновых. Это означает, что мы сможем создавать тысячи моделей менее чем за секунду, что станет огромным стимулом для исследований сверхновых».

Помимо ускорения процесса анализа сверхновых, использование ИИ также позволит повысить точность исследований. Это поможет установить, какие модели наиболее точно соответствуют реальным взрывам и диапазону их физических свойств.

Доктор Маги добавил: «Изучение элементов, высвобождаемых сверхновыми, является решающим шагом в определении типа произошедшего взрыва, поскольку определенные типы взрывов производят больше одних элементов, чем других. Затем мы можем связать свойства взрыва обратно с свойства галактик, в которых находится сверхновая, и установить прямую связь между тем, как произошел взрыв, и типом взорвавшегося белого карлика».

Принятая сейчас работа — это лишь первый шаг. Будущие исследования будут расширяться и охватывать еще большее разнообразие взрывов и сверхновых, а также напрямую связывать взрыв и свойства родительской галактики. Такие исследования стали возможны только благодаря достижениям в области машинного обучения.

Доктор Томас Киллестейн из Университета Турку, который также принимал участие в исследовании, добавил: «Благодаря современным исследованиям у нас наконец-то есть наборы данных такого размера и качества, которые позволяют решить некоторые ключевые оставшиеся вопросы в науке о сверхновых: как именно они взрываются. Подобные подходы к машинному обучению позволяют изучать большее количество сверхновых более детально и с большей последовательностью, чем предыдущие подходы».

Больше информации: MR Magee et al, Quantitative modelling of type Ia supernovae spectral time series: Constraining the explosion physics, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (2024). DOI: 10.1093/mnras/stae1233

Источник: University of Warwick