Ve snaze porozumět vesmíru jsme posedlí - nás přitahuje touha po pozorování. Satelity přenášejí každoročně stovky terabajtů datových informací a pouze jeden dalekohled v Chile vytvoří každou noc 15 terabajtů vesmírných snímků. Žádný člověk je nemůže zvládnout ručně. Jak říká astronom Carlo Enrico Petrillo, „Pohled na obrázky galaxií je nejromantičtější součástí naší práce. Problém je v tom, jak se soustředit. “Proto Petrillo vyvíjí umělou inteligenci, která mu pomůže.
Petrillo a jeho kolegové hledali fenomén, který je v zásadě vesmírným dalekohledem. Když je mezi vzdáleným zdrojem světla a pozorovatelem na Zemi zachycen masivní předmět (galaxie nebo černá díra), ohýbá prostor a světlo kolem něj a vytváří čočku, která umožňuje astronomům podrobněji se podívat na neuvěřitelně staré a vzdálené části vesmíru skryté před naším pohledem. Tento efekt se nazývá gravitační čočka a tyto čočky jsou klíčem k pochopení toho, z čeho je vesmír vyroben. Až dosud bylo jejich hledání pomalé a únavné.
Zde je zapotřebí umělá inteligence - a hledání gravitačních čoček je úplně začátek. Jak uvedl profesor Stanford Andrew Ng, schopnost umělé inteligence automatizovat vše, co „typický člověk dokáže udělat za méně než jednu sekundu myšlení“. Méně než vteřina nemusí znít jako hodně, ale pokud jde o prosívání velkého množství dat, je to dar z nebes.
Nová vlna astronomů hledá AI více než jen třídič dat. Zkoumají něco, co by mohlo být zcela novým způsobem hledání vědeckých objevů, kde umělá inteligence zobrazí části vesmíru, které jsme nikdy neviděli.
Ale nejprve: gravitační čočky. Einsteinova obecná teorie relativity předpovídala tento jev již ve 30. letech, ale první příklady se neobjevily až v roce 1979. Proč? Protože prostor je velmi, velmi velký a lidé si jej dlouho prohlíželi, zejména bez moderních dalekohledů. Hledání gravitačních čoček bylo náročné.
"Čočky, které jsme nyní našli, byly různými způsoby," říká Lilia Williamsová, profesorka astrofyziky na University of Minnesota. "Některé byly objeveny náhodou, lidé hledali něco úplně jiného." Některé byly nalezeny lidmi, kteří je hledali, podruhé nebo potřetí. ““
Propagační video:
AI je velmi dobrá při pohledu na obrázky. Takže Petrillo a jeho kolegové se v Silicon Valley obrátili na milovaný nástroj umělé inteligence: typ počítačového programu složeného z digitálních „neuronů“modelovaných podle skutečných, které v reakci na vstup vystřelují. Krmte tyto programy (neuronové sítě) velkým množstvím dat a naučí se rozpoznávat vzorce a vzory. Obzvláště dobře pracují s vizuálními informacemi a používají se v různých systémech strojového vidění - od kamer v autech s vlastním pohonem až po rozpoznávání obličeje v obrázcích na Facebooku.
Jak bylo napsáno v článku publikovaném minulý měsíc, použití této technologie na lov gravitačních čoček bylo překvapivě jednoduché. Nejprve vědci vytvořili dataset pro trénování neuronové sítě - vytvořili 6 milionů falešných snímků s gravitačními čočkami a bez nich. Pak jsme poslali naše data do neuronové sítě a nechali je přijít na to, jaké vzorce mají. Trochu vyladění a výsledkem je program, který rozpoznává gravitační čočky v mrknutí oka.
"Velký klasifikátor v lidské tváři analyzuje obrázky rychlostí tisíc za hodinu," říká Petrillo. Jedna čočka se nachází přibližně jednou za každých 30 000 galaxií. Proto bude muset klasifikátor pracovat bez spánku a odpočinku po celý týden, aby našel pouze pět až šest čoček. Neuronová síť při porovnání analyzuje 21 789 obrázků za pouhých 20 minut. A to je s jedním starým procesorem.
Neuronová síť nebyla tak přesná jako počítač. Aby nepřehlédla objektiv, dostala široké parametry. Přišla s 761 možnými kandidáty, které lidé studovali a snížili na 56. Potvrzení, že se jedná o skutečné čočky, bude muset být ověřeno a potvrzeno, ale Petrillo věří, že třetí bude skutečná. To je asi jedna čočka za minutu ve srovnání se stovkou čoček objevených celou vědeckou komunitou v posledních několika desetiletích. Rychlost je neuvěřitelná, vyhlídky jsou obrovské.
Nalezení těchto čoček je nezbytné pro pochopení jedné z velkých tajemství astronomie: z čeho je vesmír vyroben? Věc, kterou známe (planety, hvězdy, asteroidy atd.) Představuje pouze 5% veškeré fyzické hmoty a dalších 95% je pro nás zcela nepřístupných. Těch 95% představuje hypotetická hmota - temná hmota, kterou jsme nikdy přímo nepozorovali. Musíme jen studovat gravitační vliv, který má na zbytek vesmíru, a gravitační čočky slouží jako jeden z nejdůležitějších ukazatelů.
Co jiného může AI udělat? Vědci pracují na řadě nových nástrojů. Někteří, jako Petrillo, přebírají úkol identifikace: klasifikují například galaxie. Jiní vyhledávají datové toky pro zajímavé signály. Některé neuronové sítě odstraňují umělé rušení rádiového dalekohledu izolováním pouze užitečných signálů. Jiné byly použity k identifikaci pulsarů, neobvyklých exoplanet nebo ke zlepšení dalekohledů s nízkým rozlišením. Stručně řečeno, existuje mnoho možných využití.
Tato exploze je částečně způsobena obecnými trendy hardwaru, které rozšiřují pole AI, jako je například dostupnost levného výpočetního výkonu. Astronomové již nemusejí sedět v kalhotách v noci bez mraků a pozorovat pohyb jednotlivých planet; místo toho používají sofistikovanou techniku, která jeden po druhém skenuje části oblohy. Vylepšené dalekohledy a technologie ukládání dat znamenají, že je ještě více prostoru pro analýzu, říká Williams.
Při analýze velkých datových sad je umělá inteligence skvělá. Můžeme ho naučit rozpoznávat vzorce a donutit ho, aby neúnavně pracoval, a nikdy nebude blikat nebo dělat chyby.
Bojí se astronomů, že věří stroji, kterému může chybět lidské porozumění, aby zjistil něco senzačního? Petrillo říká ne. "Obecně jsou lidé více zaujatí, méně efektivní a náchylnější k chybám než stroje." Williams souhlasí. "Počítačům mohou uniknout určité věci, ale systematicky jim budou chybět." Dokud však víme, co neví, můžeme nasadit automatizované systémy bez velkého rizika.
Pro některé astronomy jde potenciál AI nad rámec pouhého třídění dat. Věří, že umělá inteligence může být použita k vytvoření informací, které vyplní slepá místa v našich pozorováních vesmíru.
Astronom Kevin Schawinski a jeho tým v astrofyzice galaxií a černých děr používají AI ke zlepšení rozlišení rozmazaných obrazů dalekohledu. Za tímto účelem nasadili neuronovou síť, která generuje bezkonkurenční variace ve studovaných datech, jako by dobrý falšovatel napodoboval styl slavného umělce. Stejné sítě byly použity k vytvoření falešných obrazů hvězdných obrazů; falešné zvukové dialogy simulující skutečné hlasy; a další typy dat. Podle Shavinského takové neuronové sítě vytvářejí informace, které pro nás byly dříve nepřístupné.
V příspěvku publikovaném Shavinskim a jeho týmem počátkem tohoto roku ukázali, že tyto sítě mohou zlepšit kvalitu vesmírných snímků. Snížili kvalitu obrazů řady galaxií, přidali šum a rozostření a poté je prošli neuronovými sítěmi spolu s původními obrazy. Výsledek byl úžasný. Vědci to ale zatím nemohou sdílet.
Shawinski je ostražitý k projektu. Konec konců jde proti základním principům vědy: vesmír můžete znát pouze přímým pozorováním. "Z tohoto důvodu je tento nástroj nebezpečný," říká. A lze jej použít pouze v případě, že máme přesné údaje a kdy můžeme výsledek ověřit. Můžete trénovat neuronovou síť tak, aby generovala data o černých dírách a poslala je do práce v určité oblasti oblohy, která byla dosud dosud nedostatečně prozkoumána. A pokud najde černou díru, astronomové budou muset nález potvrdit svými rukama - jako je tomu u gravitačních čoček.
Pokud se tyto metody ukážou jako plodné, mohou se stát zcela novými výzkumnými metodami, které doplňují klasické počítačové simulace a dobré staré pozorování. Zatím vše začíná, ale vyhlídky jsou velmi slibné. "Kdybyste měli tento nástroj, mohli byste vzít všechna data z archivů, některé z nich vylepšit a získat větší vědeckou hodnotu." Hodnota, která tam předtím nebyla. AI se stane vědeckým alchymistem, který nám pomůže přeměnit staré znalosti v nové znalosti. A mohli jsme prozkoumat vesmír jako nikdy předtím, aniž bychom opustili Zemi.
Ilya Khel