يدخل الذكاء الاصطناعي كافة جوانب الحياة اليوم. ويستفيد العلماء بشكل كبير من إمكانياته الهائلة في تحقيق قفزات نوعية في عدة مجالات. نقدم هنا مثالين عن توظيف الذكاء الاصطناعي في الفضاء.
لقد حقق الباحثون تقدماً كبيراً في فهم أجواء الكواكب الخارجية من خلال استخدام الشبكات العصبية المستندة إلى الفيزياء (PINNs)، والتي تسمح بنمذجة أكثر دقة لتأثيرات تشتت الضوء، وخاصة من السحب.
هذه القفزة النوعية، التي نشأت عن جهود تعاونية بين العديد من المؤسسات المرموقة، تستفيد من الذكاء الاصطناعي لتحسين تحليل البيانات الطيفية من الكواكب الخارجية، والاستفادة بشكل خاص من البيانات الجديدة من تلسكوب جيمس ويب الفضائي.
قفزة نوعية
حقق علماء من جامعة لودفيغ ماكسيميليان، ومجموعة أوريغينز للتميز، ومعهد ماكس بلانك للفيزياء خارج الأرض (MPE)، ومختبر علوم البيانات أوريغينز (ODSL) تقدماً كبيراً في تحليل الغلاف الجوي للكواكب الخارجية. من خلال استخدام الشبكات العصبية المستنيرة بالفيزياء (PINNs)، فقد عززوا نمذجة التشتت الضوئي المعقد داخل هذه الأجواء، محققين دقة أكبر من أي وقت مضى. يقدم هذا النهج المبتكر رؤى جديدة حول دور السحب ويمكن أن يعزز بشكل كبير معرفتنا بالعوالم البعيدة.
عندما تمر الكواكب الخارجية البعيدة أمام نجمها، فإنها تحجب جزءاً صغيراً من ضوء النجم، بينما يخترق جزء أصغر الغلاف الجوي الكوكبي. يؤدي هذا التفاعل إلى اختلافات في طيف الضوء، والتي تعكس خصائص الغلاف الجوي مثل التركيب الكيميائي ودرجة الحرارة والغطاء السحابي.
ومع ذلك، لكي يتمكنوا من تحليل هذه الأطياف المقاسة، يحتاج العلماء إلى نماذج قادرة على حساب ملايين الأطياف الاصطناعية في وقت قصير. ولا يمكننا الحصول على معلومات عن التركيب الجوي للكواكب الخارجية المرصودة إلا من خلال مقارنة الأطياف المحسوبة بالأطياف المقاسة. والأمر الأكثر إثارة للدهشة هو أن الملاحظات الجديدة المفصلة بدقة شديدة التي حصل عليها الفلكيون من تلسكوب جيمس ويب الفضائي تتطلب نماذج جوية بنفس القدر من التفصيل والتعقيد.
النمذجة المحسنة
إن أحد الجوانب الرئيسية لبحوث الكواكب الخارجية هو تشتت الضوء في الغلاف الجوي، وخاصة التشتت عن السحب. لم تتمكن النماذج السابقة من التقاط هذا التشتت بشكل مرضٍ، الأمر الذي أدى إلى عدم دقة في التحليل الطيفي. تقدم الشبكات العصبية المستنيرة بالفيزياء ميزة حاسمة هنا، لأنها قادرة على حل المعادلات المعقدة بكفاءة. في الدراسة المنشورة للتو، درب الباحثون شبكتين من هذا القبيل. أظهر الأنموذج الأول، الذي طوروه دون أخذ تشتت الضوء في الاعتبار، دقة مذهلة مع أخطاء نسبية تقل في الغالب عن واحد في المائة. وفي الوقت نفسه، تضمن الأنموذج الثاني تقريبات لما يسمى تشتت رايلي - نفس التأثير الذي يجعل السماء تبدو زرقاء على الأرض. وعلى الرغم من أن هذه التقريبات تتطلب مزيداً من التحسين، فقد تمكنت الشبكة العصبية من حل المعادلة المعقدة، وهو ما يمثل تقدماً مهماً.
مزايا التعاون متعدد التخصصات
أصبحت هذه النتائج الجديدة ممكنة بفضل تعاون متعدد التخصصات فريد من نوعه بين علماء الفيزياء من عدة مراكز، يوضح المؤلف الرئيسي للدراسة ديفيد دالبودينغ: "لا يعمل هذا التآزر على تقدم أبحاث الكواكب الخارجية فحسب، بل يفتح أيضاً آفاقاً جديدة لتطوير أساليب تعتمد على الذكاء الاصطناعي في الفيزياء. نريد توسيع تعاوننا متعدد التخصصات في المستقبل لمحاكاة تشتت الضوء عن السحب بدقة أكبر وبالتالي الاستفادة الكاملة من إمكانات الشبكات العصبية".
وفي مثالنا التالي سوف نقدم كيف تستفيد وكالة الفضاء الأمريكية ناسا من الذكاء الاصطناعي في اقتحام آفاق جديدة في الفضاء: إذ تبحث ناسا عن كواكب حرة تطفو باستخدام الذكاء الاصطناعي والعدسة الجاذبة الدقيقة.
وجد صائدو الكواكب الخارجية آلاف الكواكب، معظمها يدور بالقرب من نجومها المضيفة، ولكن اكتشف عدد قليل نسبياً من العوالم الغريبة التي تطفو بحرية عبر المجرة ككواكب مارقة، غير مرتبطة بأي نجم. يعتقد العديد من علماء الفلك أن هذه الكواكب أكثر شيوعاً مما نعرفه، لكن تقنيات البحث عن الكواكب لم تكن على مستوى المهمة لتحديد موقعها.
عُثر على معظم الكواكب الخارجية المكتشفة حتى الآن لأنها تنتج انخفاضات طفيفة في الضوء المرصود لنجومها المضيفة أثناء مرورها عبر قرص النجم من وجهة نظرنا. تسمى هذه الحوادث العبور.
سيقوم تلسكوب نانسي غريس رومان الفضائي التابع لوكالة ناسا بإجراء مسح لاكتشاف المزيد من الكواكب الخارجية باستخدام تقنيات قوية متاحة لتلسكوب واسع المجال. تتحرك النجوم في مجرتنا درب التبانة، ويمكن أن تساعدنا المحاذاة العشوائية في العثور على كواكب مارقة. عندما يصطف كوكب عائم حر بدقة مع نجم بعيد، يمكن أن يؤدي هذا إلى سطوع النجم. خلال مثل هذه الحوادث، تعمل جاذبية الكوكب كعدسة تعمل على تكبير ضوء النجم الخلفي لفترة وجيزة. ورغم أن رومان قد يجد كواكب مارقة من خلال هذه التقنية، التي تسمى العدسة الجاذبة الدقيقة، إلا أن هناك عيباً واحداً - المسافة إلى الكوكب غير معروفة جيداً.
يقوم العالم ريتشارد ك. باري من مركز جودارد بتطوير مفهوم مهمات يسمى "المنظار المتزامن للعدسة والتحليل التلقائي للانعكاس" لاستغلال تأثيرات المنظار لحساب هذه المسافات. المنظار هو التحول الواضح في موضع جسم في المقدمة كما يراه المراقبون في مواقع مختلفة قليلاً. تستغل أدمغتنا وجهات نظر أعيننا المختلفة قليلاً حتى نتمكن من رؤية العمق أيضاً.
يعمل الأمر بشكل مختلف قليلاً مع العدسة الدقيقة، حيث تعتمد المحاذاة الظاهرة للكوكب والنجم الخلفي البعيد بشكل كبير على موضع المراقب. في هذه الحالة، سيشهد مراقبان منفصلان جيداً، كل منهما مزود بساعة دقيقة، نفس حدث العدسة الدقيقة في أوقات مختلفة قليلاً. يسمح التأخير الزمني بين الكشفين للعلماء بتحديد بعد الكوكب.
ولتعظيم تأثير المنظار البعيد، سوف ينضم إلى مهمة متجهة إلى المريخ تنطلق في نفس وقت إطلاق رومان، والمقرر حالياً في أواخر عام 2025. وهذا يضعه في مداره الخاص حول الشمس والذي سوف يحقق مسافة كافية من الأرض لقياس إشارة المنظار البعيد بفعالية وملء هذه المعلومات المفقودة.
وقال باري: "سوف يكون المنظار المتزامن على مسافة كبيرة من المرصد الرئيسي، سواء رومان أو تلسكوب على الأرض. ومن المفترض أن تسمح لنا إشارة المنظار البعيد بحساب كتل دقيقة للغاية لهذه الأجسام، وبالتالي زيادة العائد العلمي".
إن فهم هذه الكواكب العائمة الحرة سيساعد في سد بعض الفجوات في معرفتنا بكيفية تشكل الكواكب.
من أجل العثور على هذه الكواكب بكفاءة، سيستخدم المنظار المتزامن، الذي أكمل دراسة مختبر تخطيط المهمة في منشأة في أوائل آب، الذكاء الاصطناعي. حيث طور الدكتور غريغ أولمشينك، وهو باحث يعمل مع باري، ذكاء اصطناعياً خاصاً لتنفيذ المهمة.
قال أولمشينك: "أعمل مع أنواع معينة من الذكاء الاصطناعي تسمى الشبكات العصبية. إنه نوع من الذكاء الاصطناعي الذي سيتعلم من خلال الأمثلة. لذا، فأنت تعطيه مجموعة من الأمثلة للشيء الذي تريد العثور عليه، والشيء الذي تريد تصفيته، ثم يتعلم كيفية التعرف على الأنماط في تلك البيانات لمحاولة العثور على الأشياء التي تريد الاحتفاظ بها والأشياء التي تريد التخلص منها."
في النهاية، يتعلم الذكاء الاصطناعي ما يحتاج إلى تحديده، وسيرسل فقط المعلومات المهمة. في تصفية هذه المعلومات، سيساعد هذا البرنامج المنظار المتزامن في التغلب على معدل نقل البيانات المحدود للغاية. سيتعين على المنظار المتزامن مراقبة ملايين النجوم كل ساعة أو نحو ذلك، ولا توجد طريقة لإرسال كل هذه البيانات إلى الأرض. لذلك، سيتعين على المركبة الفضائية تحليل البيانات الموجودة على متنها وإرسال القياسات فقط للمصادر التي يكتشف أنها أحداث عدسة دقيقة.
قال باري: "سيسمح لنا المنظار المتزامن بتقدير العديد من الكتل عالية الدقة للكواكب الجديدة التي اكتشفها تلسكوبي رومان وبرايم. وسوف يسمح لنا برنامج الذكاء الاصطناعي بتحليل البيانات ذات الحجم الهائل واختيار المفيد منها للاقتراب من كوكب عائم حر لأول مرة - لم نقم بذلك من قبل. وهو أمر رائع ومثير للغاية. في الواقع، إنه العصر الذهبي الجديد لعلم الفلك الآن، وكنا لنصل إلى هذا التقدم لولا مساعدة الذكاء الاصطناعي".
----