астрофизика с ИИ

Снимок далёкой галактики, сделанный с Земли, похож на вид через матовое стекло: атмосфера размывает детали, и внутренняя структура остаётся скрытой. Астрономы давно хотели узнать, где именно в галактиках гаснет звездообразование, но наземные телескопы не позволяли разглядеть тонкие градиенты цвета.

Телескоп методично, ночь за ночью, нацелен на далёкую звезду. В потоке её света прячется едва заметный провал яркости — крошечная планета размером с Землю на несколько часов заслонила часть звёздного диска. Такое событие, называемое транзитом, длится считанные часы, а повторяется раз в год или реже. Поймать его — всё равно что расслышать один тихий щелчок в шумном зале.

Метеорологи уже привыкли доверять нейросетям: модель GraphCast угадывает земную погоду на дни вперёд, опираясь на глобальные снимки атмосферы. Но этот «мозг» можно перенести на другую планету — туда, где воздух разрежен, а солнце греет иначе.

Галактика NGC 4254 удалена от центра скопления Девы на полтора миллиона световых лет. Она тащит за собой длинный шлейф остывающего водорода — признак того, что на полном ходу врезается в раскаленный газ. Потеря холодного топлива гасит рождение новых звезд.

Четыре слабых штриха на снимке — всё, что видит астроном. Так скульптор по четырём теням восстанавливает форму невидимого стекла. Около ста лет назад Альберт Эйнштейн предсказал, а Фриц Цвикки предложил использовать гравитационные линзы — естественные телескопы из тёмной материи, усиливающие свет далёких…

Складывая пазл Вселенной, астрономы привыкли, что каждая новая деталь должна точно ложиться в уже сложенную картину. Но иногда попадаются кусочки, которые словно вырезаны из другой головоломки. Двадцать тысяч активных ядер галактик — и одиннадцать процентов из них нейросеть уверенно отбрасывает как чужеродные.

Художник делает быстрый набросок углём — и лицо на портрете уже узнаваемо. Астрофизики решают схожую задачу: спектр звезды — это её индивидуальный портрет, раскрывающий температуру, состав, силу тяжести. До недавнего времени для получения такого портрета требовалась кропотливая «живопись маслом» — код радиативного переноса в условиях отклонения от локального теплового равновесия (non-LTE).

Солнце непрерывно выводит на своей поверхности каракули магнитных полей. Эти узоры — не просто рябь, а почерк, в который природа зашифровала предупреждения о вспышках. Вспышка — это взрыв, высвобождающий за минуты энергию миллиардов ядерных бомб, выбрасывающий в космос потоки плазмы и излучения.

Живая энергосистема подобна организму: линии электропередач — это сосуды, по которым течёт ток-кровь. Данные же — нервные импульсы, которые прежде рассеивались, не достигая единого центра обработки. Проект mAIEnergy подключает эти «нервы» к общему «мозгу», создавая хранилище, где собраны спутниковые снимки, показания электросчётчиков, научные статьи и метеосводки.

Электронный микроскоп — гигантский орган: вместо труб — электромагнитные линзы, вместо воздуха — поток ускоренных электронов. Раньше он лишь рисовал немые фрески атомного мира, обрекая учёных на изнурительную расшифровку.

Гамма-небо, запечатлённое телескопом Fermi, — это грандиозная симфония из тысяч источников. Здесь ритмичные пульсации пульсаров, мощные аккорды активных ядер галактик, но больше всего — неотождествлённых объектов, чья партия остаётся загадкой.

Десятилетиями радиоастрономия вслушивалась в космос, надеясь уловить узкополосные радиопередачи — техногенный «голос» далёких экзопланет. Но наша собственная технологическая эволюция вскрывает парадокс: громкие аналоговые сигналы, подобные телевещанию 1960-х, — лишь краткий вскрик новорождённой цивилизации.

В 1960 году радиотелескоп «Тател» неделями вслушивался в пустоту у звёзд Тау Кита и Эпсилон Эридана. Проект «Озма» искал техносигнатуры — следы деятельности иного разума. Спустя шестьдесят с лишним лет, после открытия тысяч экзопланет миссией «Кеплер» под руководством Уильяма Боруки, мы по-прежнему окружены молчанием.

3I/ATLAS ворвался в Солнечную систему как незваный гость, подарок судьбы для охотников за внеземным разумом. Этот кометоподобный странник из глубин Галактики пролетел достаточно близко, чтобы его можно было расслышать во всех подробностях — в отличие от далёких экзопланет.

Спустя почти век после того, как Фриц Цвикки заподозрил неладное в движении галактик скопления Волос Вероники, а Вера Рубин измерила звёздные скорости в спиральных рукавах, природа тёмной материи остаётся одной из самых мучительных загадок.

Солнечные вспышки — мощные взрывы на Солнце, способные вывести из строя спутники и обесточить города. Их предсказание осложнено запутанностью магнитных полей в солнечных пятнах.

Перовскитные кристаллы — это класс материалов с уникальной кристаллической решёткой, способных преобразовывать солнечный свет в электричество с эффективностью, сопоставимой с традиционным кремнием, но при значительно меньшей стоимости производства.

Ускоренное расширение Вселенной — наблюдательный факт, который может указывать на то, что наше понимание гравитации неполно. Физики разрабатывают альтернативные теории, но их проверка требует расчёта того, как из первичных квантовых флуктуаций после Большого взрыва сформировались галактики.

Рой зеркал и антенн окутывает чёрную дыру, как пчёлы — улей. Только вместо мёда эта конструкция собирает энергию, которой хватило бы на работу сознания размером с галактику. Именно такие «разумы Дайсона» обсуждали на недавней встрече в Массачусетском технологическом институте. Идея восходит к работам [scientist:F. J.

В идеальный сейф спрятали крошечную монетку, но его стенки так тонки, что монетка иногда проходит сквозь них, оставляя едва уловимый звук. Аксионы — это и есть такие монетки, только вместо металла — частицы, а вместо сейфа — обычное вещество. Они почти не замечают преград, и поймать их напрямую чрезвычайно трудно.

Астрономы время от времени фиксируют межзвёздные объекты — каменные глыбы или кометные ядра, прибывшие из других звёздных систем. Большинство из них выглядят заурядно, но некоторые ставят в тупик необычной формой, аномальной скоростью или переменным блеском.

Лазер бьёт в кусочек породы с другой планеты. Камень испаряется, а прибор ловит разлетающиеся частицы и раскладывает их по весу. Так работает лазерная ионизационная масс-спектрометрия — метод, который может ответить на главный вопрос астробиологии: есть ли жизнь за пределами Земли? Прибор умеет заглядывать внутрь камня слой за слоем, как археолог снимает пласты грунта.

Если бросить горсть блёсток в реку, одни поплывут прямо, другие закружатся в маленьких водоворотах. С галактиками во Вселенной происходит похожее: они не только разбегаются из-за расширения, но и кружатся в гигантских потоках, словно щепки в невидимых водоворотах.

Если сфотографировать одну и ту же гору на плёночный фотоаппарат и на современный смартфон, получатся разные изображения: где-то цвета ярче, где-то детали размыты. Так и с телескопами: каждый инструмент видит небо по-своему, добавляя к настоящему свету галактик собственные искажения — как фильтр, через который мы смотрим. Новая работа предлагает способ убрать этот «фильтр».

Врач смотрит на серо-белое пятно на экране. Это лицо ещё не родившегося ребёнка. Одна тень в нужном месте — и можно вовремя подготовить операцию. Но тень видна не всем: расщелина губы или нёба встречается редко, и молодой специалист может ни разу не увидеть её за годы работы. Нейросеть учили на 45 139 УЗИ-снимках от 9 215 плодов из 22 больниц.

Ночное небо на снимке телескопа похоже на фотографию, сделанную через запотевшее стекло: яркие звёзды видны, но всё слабое тонет в мутной пелене. Эта пелена — шум, случайные помехи от электроники, тепла и самой атмосферы. Часть шума повторяется от снимка к снимку, как царапина на стекле, и её можно вычислить и убрать. Алгоритм ASTERIS делает именно это.

Шесть лет подряд телескоп HARPS-N на острове Ла-Пальма смотрел на Солнце как на чужую звезду — снимал спектры, следил за яркостью, записывал каждое дрожание линий. Всё это нужно, чтобы понять, как отличить слабое качание звезды от настоящего сигнала планеты. Звезда не стоит на месте: её поверхность кипит, как кастрюля с супом. Всплывают горячие пузыри, появляются пятна, меняется магнитное поле.

Свет далёкой звезды, пройдя сквозь воздух и линзы телескопа, теряет резкость — будто смотришь на фонарь сквозь мокрое стекло. Астрономы называют это размытие «отпечатком пальца» телескопа: у каждого инструмента он свой, и его нужно знать до мелочей. Раньше этот «отпечаток» снимали по кусочкам: каждый светочувствительный чип камеры обрабатывали отдельно, и общая картина теряла связность.

Программист пишет код, запускает, видит ошибку и правит. Теперь этот процесс можно поручить самой программе. Машинное обучение уже умеет улучшать алгоритмы, но обычно требует много данных и готовых примеров.

Старые китайские хроники полны записей о погоде: «в третий месяц не было дождя», «река вышла из берегов». Но это слова, а не числа. До сих пор перевести их в точные данные о количестве осадков было почти невозможно. Новый подход работает как переводчик с языка летописей на язык климатологии.

Тысячи вселенных родились в компьютере, чтобы однажды рассказать о нашей. Каждая — со своими скоплениями галактик, расставленными по законам гравитации, как горошины в банке, которую встряхнули с разной силой. По тому, как легли горошины, можно понять, что за рука трясла банку.

Звезда дрожит, как колокол после удара. Эти дрожания — крошечные колебания яркости и поверхности — можно поймать телескопом. По частотам таких «звёздных нот» астрономы судят о том, что творится внутри: сколько звезде лет, как она устроена. Но чтобы расшифровать мелодию, раньше нужно было перебирать тысячи моделей — долго и дорого. Теперь появился инструмент PITCHFORK — нейросеть с разветвлённой архитектурой.

Телескоп Джеймс Уэбб собрал тысячи спектров далеких галактик — цветовых отпечатков их света, содержащих информацию о химическом составе и движении. Чтобы не утонуть в этом разнообразии, астрономы поручили программе рассортировать находки.

Ещё в XVIII веке Уильям Гершель, знаменитый астроном и открыватель Урана, искал признаки жизни на Марсе. Сегодня астрономы целятся не столько в планеты, сколько в артефакты — гипотетические зонды пришельцев, которые могут скрываться в Солнечной системе.

Три раздела физики — космология, физика частиц и ядерная физика — веками развивались как изолированные берега.

Телескоп ASKAP за одну ночь собирает данные о миллионах радиоисточников. Автоматические алгоритмы уверенно распознают компактные точки, но пасуют перед протяжёнными структурами с джетами, мостами и пузырями. На помощь пришли добровольцы: за первый этап проекта Radio Galaxy Zoo EMU более 2500 человек выполнили 97 000 классификаций 6230 сложных объектов.

В октябре 2017 года телескоп Pan-STARRS на Гавайях заметил объект, который двигался слишком быстро, чтобы принадлежать Солнечной системе. Это был 1I/Оумуамуа — первый межзвёздный гость, зафиксированный астрономами. С тех пор к нему присоединились ещё два: комета 2I/Борисова и объект 3I/ATLAS.

Каждые несколько часов из пустыни Мохаве, из-под Мадрида и из-под Канберры в небо уходят узкие лучи радиоволн. Это NASA Deep Space Network — три комплекса антенн, которые держат связь с аппаратами по всей Солнечной системе. За двадцать лет они накопили 92,5 антенна-года непрерывных передач. Если бы одна антенна вещала без остановки, ей понадобился бы почти век.