الفيزياء الفلكية بالذكاء الاصطناعي

صورة المجرة البعيدة الملتقطة من الأرض تشبه النظر عبر زجاج مصنفر: الغلاف الجوي يشوش التفاصيل، ويظل البنية الداخلية مخفيًا. لطالما أراد علماء الفلك معرفة أين بالضبط يتوقف تشكل النجوم في المجرات، لكن التلسكوبات الأرضية لم تسمح برؤية التدرجات اللونية الدقيقة. الآن، تعلمت شبكة عصبية إزالة هذا الضباب، مستعادة الوضوح بالاستناد إلى نماذج من الصور الفضائية.

التلسكوب، بمنهجية، ليلة بعد ليلة، موجه نحو نجم بعيد. في تدفق ضوئه يختبئ انخفاض بالكاد ملحوظ في السطوع — كوكب صغير بحجم الأرض يحجب جزءًا من القرص النجمي لبضع ساعات. هذا الحدث، الذي يسمى العبور (transit)، يستمر بضع ساعات فقط، ويتكرر مرة في السنة أو أقل. التقاطه يشبه سماع نقرة خافتة واحدة في قاعة صاخبة.

اعتاد خبراء الأرصاد الجوية على الثقة بالشبكات العصبية: نموذج GraphCast يتنبأ بالطقس الأرضي لأيام مقدمًا، بالاعتماد على صور عالمية للغلاف الجوي. لكن يمكن نقل هذا «الدماغ» إلى كوكب آخر — حيث الهواء رقيق والشمس تدفئ بشكل مختلف. أخذ مؤلفو الدراسة GraphCast وقدموا له بيانات من قاعدة المناخ المريخي — وهي نوع من التوأم الافتراضي للكوكب الأحمر، مبني على سنوات طويلة من الملاحظات.

تبعد المجرة NGC 4254 عن مركز عنقود العذراء المجري مسافة مليون ونصف سنة ضوئية. تجر خلفها ذيلاً طويلاً من الهيدروجين المبرد — علامة على أنها تصطدم بسرعة عالية بـ الغاز الساخن. فقدان الوقود البارد يخمد ولادة نجوم جديدة.

أربعة خطوط خافتة على الصورة – كل ما يراه الفلكي. هكذا يستعيد النحّات شكل الزجاج غير المرئي من أربعة ظلال. قبل نحو مئة عام، تنبأ ألبرت أينشتاين بها، واقترح فريتز زفيكي استخدام العدسات الثقالية – تلسكوبات طبيعية من المادة المظلمة، تعزز ضوء النوى المجرية النشطة البعيدة بمئات المرات.

عند تجميع أحجية الكون، اعتاد علماء الفلك على أن كل قطعة جديدة يجب أن تتناسب تمامًا مع الصورة المكتملة. لكن في بعض الأحيان تظهر قطع تبدو وكأنها مأخوذة من لغز آخر. عشرون ألف نواة مجرة نشطة — وأحد عشر بالمئة منها ترفضها الشبكة العصبية بثقة باعتبارها غريبة.

الفنان يرسم بسرعة بالفحم — ويصبح الوجه في الصورة معروفًا. علماء الفيزياء الفلكية يواجهون مشكلة مشابهة: الطيف النجمي هو صورته الفردية، تكشف درجة الحرارة والتركيب وقوة الجاذبية. حتى وقت قريب، كانت هذه الصورة تتطلب «رسمًا زيتيًا» متقنًا — كود الانتقال الإشعاعي (radiative transfer) في ظروف الخروج عن التوازن الحراري المحلي (non-LTE).

ترسم الشمس باستمرار خربشات من الحقول المغناطيسية على سطحها. هذه الأنماط ليست مجرد تموجات، بل بصمة شفّرت فيها الطبيعة تحذيرات من الانفجارات. الانفجار الشمسي هو انفجار يطلق في دقائق طاقة تعادل مليارات القنابل النووية، مقذفاً تيارات من البلازما والإشعاع إلى الفضاء.

يشبه نظام الطاقة الحي كائنًا حيًا: خطوط نقل الكهرباء هي الأوعية الدموية، والتيار هو الدم. أما البيانات فهي النبضات العصبية التي كانت تُفقد سابقًا. تقوم mAIEnergy بتوصيل هذه «الأعصاب» بـ«دماغ» موحد. يضم مستودع البيانات هذا صور الأقمار الصناعية، وقراءات عدادات الكهرباء، والمقالات، وتقارير الطقس. من بين 25 مليون سجل، توجد قراءات تمتد لنحو نصف قرن، بمعدل قراءة لكل دقيقة.

المجهر الإلكتروني هو أرغن ضخم: بدلاً من الأنابيب — عدسات كهرمغناطيسية، وبدلاً من الهواء — تيار من الإلكترونات المسرّعة. في السابق، كان يرسم فقط لوحات جدارية صامتة عن العالم الذري، محملاً العلماء بفك تشفير مرهق. أما الآن فقد دخل القائد إلى القاعة — التعلّم العميق، محوّلاً نشاز البكسلات إلى سيمفونية من البنى، حيث كل ذرة نغمة.

سماء أشعة غاما التي صوّرها تلسكوب فيرمي هي سيمفونية مهيبة من آلاف المصادر. فيها النبضات المنتظمة لـالنجوم النابضة، والأوتار القوية لـأنوية المجرات النشطة، لكن الأكثر هي أجرام مجهولة الهوية يبقى لحنها لغزًا.

لعقود، علم الفلك الراديوي كان يصغي إلى الفضاء، أملاً في التقاط إشارات راديوية ضيقة النطاق — «الصوت» التقني لكواكب خارج المجموعة الشمسية بعيدة. لكن تطورنا التكنولوجي يكشف عن مفارقة: الإشارات التماثلية الصاخبة، مثل البث التلفزيوني في الستينات، ليست سوى صرخة قصيرة لحضارة وليدة.

في عام 1960، ظلّ التلسكوب الراديوي «تاتيل» يستمع لأسابيع إلى الفراغ حول نجمي تاو قيطس وإبسيلون إيريداني. كان مشروع «أوزما» يبحث عن التوقيعات التقنية — آثار نشاط عقلٍ آخر. وبعد أكثر من ستين عامًا، وبعد اكتشاف آلاف كواكب خارجية بواسطة مهمة «كيبلر» تحت قيادة William Borucki، ما زال الصمت يحيط بنا.

اندفع 3I/ATLAS إلى نظامنا الشمسي كضيف غير مدعو، هدية من القدر لصائدي الذكاء خارج الأرض. هذا المتجول شبيه المذنبات القادم من أعماق المجرة مر قريبًا بما يكفي ليُسمع بكل تفاصيله – على عكس الكواكب الخارجية البعيدة.

بعد ما يقرب من قرن منذ أن اشتبه فريتز زفيكي في وجود خلل في حركة مجرات عنقود كوما، وقامت فيرا روبين بقياس سرعات النجوم في الأذرع الحلزونية، لا تزال طبيعة المادة المظلمة واحدة من أكثر الألغاز إيلامًا.

التوهجات الشمسية هي انفجارات قوية على الشمس، يمكنها تعطيل الأقمار الصناعية وقطع الكهرباء عن المدن. تزداد صعوبة التنبؤ بها بسبب تعقيد المجالات المغناطيسية في البقع الشمسية. يراقب العلماء النجم عن طريق تحليل ضوئه إلى ألوانه (التحليل الطيفي) وقياس سطوعه (القياس الضوئي).

تجمع بلورات البيروفسكيت ضوء الشمس بكفاءة تقارب السيليكون، لكنها رخيصة جدًا. مشكلتها هشاشة متأصلة: تتأثر بالحرارة وبالماء العادي في الهواء فـ"تمرض". يتراكم الفوضى في داخلها، وتفقد اللوحة اللامعة بريقها وتتلاشى قدراتها في غضون أيام. يصبح الذكاء الاصطناعي طبيبًا تشخيصيًا.

تسارع توسع الكون، وربما لا تعمل الجاذبية كما نعتقد. يطور الفيزيائيون نظريات بديلة، ولكن لاختبارها، يجب حساب كيف نشأت المجرات من التموجات بعد الانفجار العظيم. هذه الحسابات عبارة عن معادلات طويلة بمئات الحدود، يسهل الضياع فيها.

سرب من المرايا والهوائيات يحيط بالثقب الأسود كما يحيط النحل بخلية. لكن بدلاً من العسل، يجمع هذا الهيكل طاقة تكفي لتشغيل وعي بحجم مجرة. هذه هي "عقول دايسون" التي نوقشت في لقاء حديث في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. تعود الفكرة إلى أعمال فريمان دايسون، الذي افترض في عام 1960 أن الحضارات المتقدمة قد تحيط بالنجوم بأغلفة لجمع الطاقة.

تخيل أن عملة معدنية صغيرة وُضعت في خزنة مثالية، لكن جدرانها رقيقة جدًا لدرجة أن العملة تمر أحيانًا عبرها تاركة صوتًا بالكاد يُسمع. الأكسيونات هي مثل هذه العملات، لكن بدل المعدن لدينا جسيمات، وبدل الخزنة لدينا المادة العادية. فهي لا تكاد تلاحظ العوائق، ومن الصعب للغاية التقاطها مباشرة. لكن هناك أماكن تكون فيها هذه «الخزنات» محمّاة إلى مليارات الدرجات ومضغوطة إلى كثافة هائلة.

يرصد علماء الفلك بين الحين والآخر أجسامًا بين نجمية — كتلًا صخرية أو نوى مذنبات قادمة من أنظمة نجمية أخرى. معظمها يبدو عاديًا، لكن بعضها يثير الحيرة بشكلها غير المعتاد أو سرعتها الشاذة أو لمعانها المتغير. ولتجنب الاعتماد على الحدس، أدخل الباحثون مقياس لوب — وهو نظام تدريجي من 0 إلى 5، حيث يعني 0 «صخرة عادية» و5 «إشارة تقنية»، أي إشارة من صنع كائنات خارج الأرض.

يضرب الليزر قطعة صخرية من كوكب آخر. يتبخر الحجر، ويلتقط الجهاز الجسيمات المتطايرة ويفرزها حسب وزنها. هكذا تعمل مطيافية الكتلة بالتأين بالليزر (laser ionization mass spectrometry) — وهي طريقة قد تجيب على السؤال الأهم في علم الأحياء الفلكي: هل توجد حياة خارج الأرض؟ يستطيع الجهاز النظر داخل الصخر طبقة تلو الأخرى، مثلما يزيل عالم الآثار طبقات التربة.

إذا ألقيت حفنة من اللمعان في نهر، فبعضها سيطفو مباشرة، وبعضها سيدور في دوامات صغيرة. مع المجرات في الكون يحدث شيء مشابه: فهي لا تبتعد فقط بسبب التوسع، بل تدور أيضًا في تيارات هائلة، مثل شظايا الخشب في دوامات غير مرئية. هذه الدوامات — التفاف الغاز الكوني والمادة المظلمة — هي أثر بالغ الأهمية لكيفية نمو الكون وتزايد تعقيده.

إذا صوّرتَ الجبل نفسه بكاميرا فيلمية وبالهاتف الذكي الحديث، فستحصل على صورتين مختلفتين: في إحداهما تكون الألوان أكثر إشراقًا، وفي الأخرى تكون التفاصيل غير واضحة. وكذلك الأمر مع التلسكوبات: فكل أداة ترى السماء بطريقتها الخاصة، مضيفةً إلى الضوء الحقيقي للمجرات تشوهاتها الخاصة — مثل مرشح ننظر من خلاله. ويقدم العمل الجديد طريقة لإزالة هذا "المرشح".

ينظر الطبيب إلى بقعة رمادية-بيضاء على الشاشة. هذا وجه طفل لم يولد بعد. ظل واحد في المكان الصحيح — ويمكن التحضير للعملية في الوقت المناسب. لكن الظل لا يراه الجميع: الشفة المشقوقة أو الحنك المشقوق نادر الحدوث، وقد لا يراه الأخصائي الشاب ولو مرة واحدة خلال سنوات عمله. درّبوا الشبكة العصبية على 45 139 صورة موجات فوق صوتية لـ 9 215 جنينًا من 22 مستشفى. الآن تجد الشق بحساسية أعلى من 93% ودقة أعلى من 95%.

السماء الليلية في صورة تلسكوب تشبه صورة فوتوغرافية ملتقطة عبر زجاج ضبابي: النجوم الساطعة مرئية، لكن كل ما هو خافت يغرق في حجاب معتم. هذا الحجاب هو الضوضاء، تشويش عشوائي من الإلكترونيات والحرارة والغلاف الجوي نفسه. جزء من الضوضاء يتكرر من صورة إلى أخرى، مثل خدش على الزجاج، ويمكن حسابه وإزالته. خوارزمية ASTERIS تفعل ذلك بالضبط.

لمدة ست سنوات متتالية، نظر تلسكوب HARPS-N في جزيرة لا بالما إلى الشمس كما لو كانت نجمًا غريبًا — يلتقط الأطياف، ويتابع السطوع، ويسجل كل ارتعاشة في الخطوط الطيفية. كل هذا ضروري لفهم كيفية التمييز بين التمايل الضعيف للنجم والإشارة الحقيقية لكوكب. النجم لا يبقى ثابتًا: سطحه يغلي مثل قدر من الحساء. تتصاعد فقاعات ساخنة، وتظهر بقع، ويتغير المجال المغناطيسي.

يفقد ضوء النجم البعيد حدّته بعد مروره عبر الهواء وعدسات التلسكوب، وكأنك تنظر إلى مصباح عبر زجاج مبلل. يسمّي الفلكيون هذا التشوّش «بصمة إصبع» التلسكوب: فلكل أداة بصمتها الخاصة، ويجب معرفتها بدقة متناهية. في السابق، كانت هذه «البصمة» تُلتقط على شكل أجزاء: إذ كانت كل شريحة حساسة للضوء في الكاميرا تُعالَج بشكل منفصل، فتفقد الصورة العامة تماسكها.

المبرمج يكتب الكود، يشغّله، يرى الخطأ ويصحّحه. الآن يمكن إسناد هذه العملية إلى البرنامج نفسه. التعلم العميق في التصوير الطبي أصبح قادرًا على تحسين الخوارزميات، لكنه عادةً يتطلب الكثير من البيانات والأمثلة الجاهزة.

السجلات التاريخية الصينية القديمة مليئة بالملاحظات عن الطقس: «في الشهر الثالث لم ينزل مطر»، «فاض النهر على ضفافه». لكنها كلمات وليست أرقامًا. حتى الآن، كان تحويلها إلى بيانات دقيقة عن كمية الأمطار شبه مستحيل. المنهج الجديد يعمل كمترجم من لغة السجلات إلى لغة علم المناخ.

وُلدت آلاف الأكوان داخل الحاسوب لكي تحكي يومًا ما عن كوننا. كلٌّ منها يحمل عناقيد مجراته الخاصة، موزعة وفق قوانين الجاذبية، مثل حبات البازلاء في وعاء هزّته قوة مختلفة. من طريقة استقرار الحبات يمكننا أن نفهم أي يد هزّت الوعاء. وهكذا هنا: من نمط توزيع العناقيد، يريد العلماء تحديد كمية المادة المظلمة في الكون ومدى سرعة تجمعها في كتل.

النجم يرتجف مثل الجرس بعد قرعه. هذه الارتجافات — تذبذبات بالغة الصغر في السطوع والسطح — يمكن التقاطها بالتلسكوب. ومن ترددات هذه «النغمات النجمية» يستدل الفلكيون على ما يحدث في الداخل: كم عمر النجم، وكيف بُني. لكن لفك شيفرة اللحن، كان لا بد سابقًا من تجربة آلاف النماذج — وهو أمر بطيء ومكلف. الآن ظهرت أداة PITCHFORK — شبكة عصبية ذات بنية متشعبة.

التقط تلسكوب جيمس ويب آلاف الأطياف لمجرات بعيدة — بصمات ضوئية لألوانها. ولكي لا يغرق الفلكيون في هذا التنوع، أسندوا إلى برنامج مهمة فرز هذه الاكتشافات. لكنه تصرّف كعالم طبيعة على شاطئ مجهول: دون معرفة مسبقة بالأنواع التي قد يصادفها، قام بتصنيف الأجسام حسب تشابهها الظاهري. بدلًا من الأصداف، كانت الأنماط الطيفية.

في القرن الثامن عشر، بحث Уильям Гершель عن حياة على المريخ. أما اليوم، فيستهدف علماء الفلك ليس الكواكب، بل القطع الأثرية - مثل مسابير كائنات فضائية مختبئة في النظام الشمسي. المشكلة أن رصد جسم صغير بالقرب من الشمس الساطعة يكاد يكون مستحيلاً. وهنا تبرز فكرة جديدة: تحويل ظل الأرض إلى مرشح طبيعي. يعمل الظل كبئر عميق.

عملت ثلاثة فروع من الفيزياء — علم الكون وفيزياء الجسيمات والفيزياء النووية — لقرون كشواطئ منعزلة. على أحدها، يفك العلماء أسرار التجمعات النجمية ونشأة الكون، وعلى الآخر يختبرون القواعد الأساسية للعالم الميكروي، وعلى الثالث يدرسون نواة الذرة. لكل منها لغته وأساليبه.

يلتقط تلسكوب ASKAP في ليلة واحدة بيانات عن ملايين المصادر الراديوية. تتعرف الخوارزميات التلقائية بثقة على النقاط المدمجة، لكنها تعجز أمام البنى الممتدة ذات النفاثات والجسور والفقاعات. جاء المتطوعون للإنقاذ: في المرحلة الأولى من مشروع Radio Galaxy Zoo EMU، أجرى أكثر من 2500 شخص 97 ألف تصنيف لـ 6230 جسمًا معقدًا.

في أكتوبر 2017، رصد تلسكوب Pan-STARRS في هاواي جسمًا يتحرك بسرعة أكبر من أن يكون جزءًا من نظامنا الشمسي. كان هذا هو 1I/أومواموا، أول ضيف بين نجمي يسجله علماء الفلك. ومنذ ذلك الحين، انضم إليه اثنان آخران: المذنب 2I/بوريسوف والجسم 3I/أطلس. كل واحد منها يشبه حجرًا ألقته موجة على الشاطئ حيث نقف نحن مع جهاز كشف المعادن، محاولين تمييز الحصى العادي عن قطعة أثرية من عقل آخر.

كل بضع ساعات، تنطلق من صحراء موهافي، ومن قرب مدريد، ومن قرب كانبرا، أشعة ضيقة من موجات الراديو نحو السماء. هذه هي شبكة ناسا للفضاء السحيق (NASA Deep Space Network)؛ وهي ثلاث مجموعات من الهوائيات تحافظ على الاتصال بالمركبات الفضائية في جميع أنحاء النظام الشمسي. على مدى عشرين عامًا، جمعت هذه الشبكة ما يعادل 92.5 سنة-هوائي من الإرسالات المتواصلة.