فيزياء فلكية بالشبكات العصبية

في نهاية حياة نجم ضخم، تنهار نواته خلال أجزاء من الثانية، مولدة وميض مستعر أعظم. هذه الكارثة تهز نسيج الزمكان نفسه، فتبعث موجات ثقالية، تموجات تجري عبر الكون. لم نتمكن بعد من التقاط هذه التموجات مباشرة، لكنها وحدها القادرة على إخبارنا بما يحدث في قلب الجحيم، حيث لا يستطيع أي تلسكوب النظر.

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).

في قلب كل نجم نيوتروني تكمن سيمفونية — تشابك معقد بين الحقول الكمومية والجاذبية النسبية. منذ قرابة قرن، وصف فريتز زفيكي هذه الأجرام بأنها «نجوم-ذرات»، بينما أهدتنا جوسلين بيل بورنيل صوتها — الإيقاع الصارم للـنباضات.

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.

يتحدث الكون بلغة الموجات الجذبية — ارتجاف نسيج الزمكان ذاته. عندما يندمج نجمان نيوترونيان، وهما البقايا فائقة الكثافة لانفجارات مستعر أعظم خبت منذ زمن بعيد، في رقصة أخيرة، يصدران تغريدةً ممتدة تتزايد في ترددها.

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.

قدرٌ يغلي فيه حساء من ثلاثة مكونات. يغيّر الطباخ النسب أثناء الطهي، ويُتابَع ذلك من خلال موقع نقطة على مقياس مثلثي. هكذا تقريبًا يتعامل الفيزيائيون مع النيوترينوات الصادرة عن انفجار مستعر أعظم. عندما ينضغط قلب النجم إلى كثافة هائلة، يتولد تيار من النيوترينوات — جسيمات خفيفة لا تتفاعل تقريبًا مع المادة. وهي من ثلاثة أنواع، ويتغير تكوينها في الطريق من النجم إلى الكاشف.

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%.

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.

جسيمات كونية بطاقة تفوق بملايين المرات ما تستطيع مسرعات الأرض توليده، تصطدم بالغلاف الجوي وتُنتج وابلًا من الجسيمات الثانوية. يشع هذا الوابل موجاتٍ راديوية تلتقطها هوائيات على الأرض. لكن الإشارة ضعيفة: يطغى عليها ضجيج الراديو القادم من مجرتنا وضجيج أجهزة الاستقبال نفسها. تمييز مثل هذه الإشارة أشبه بسماع همسٍ في شارعٍ مزدحم. تعمل الشبكة العصبية كمترجمٍ يستمع في الوقت نفسه إلى نبرة الصوت ويفكك الكلمات.

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.