Искусственный интеллект помог ученым «услышать» внутреннее устройство Солнца

Исследователи разработали новую систему искусственного интеллекта, способную анализировать акустические колебания Солнца и восстанавливать информацию о процессах, происходящих глубоко внутри звезды. Работа открывает новые возможности для изучения солнечной активности, структуры недр и механизмов формирования магнитных полей.

Проект связан с областью науки, известной как гелиосейсмология — методом исследования Солнца по его колебаниям. По аналогии с тем, как сейсмологи изучают внутреннее строение Земли по землетрясениям, астрономы анализируют волны внутри Солнца, чтобы понять устройство его недр.

Новая работа показывает, что искусственный интеллект способен значительно ускорить и упростить обработку таких данных.

Солнце постоянно вибрирует

Хотя человеческий глаз не замечает этого, поверхность Солнца непрерывно колеблется.

Внутри звезды возникают акустические волны, вызванные:

• движением раскаленной плазмы;
• конвекцией;
• турбулентностью;
• переносом энергии из глубин к поверхности.

Эти волны распространяются через солнечные недра и вызывают ритмические движения поверхности.

Ученые иногда называют их «солнечным сердцебиением».

Что такое гелиосейсмология

Helioseismology возникла во второй половине XX века.

Метод основан на анализе:

• частот колебаний;
• скоростей волн;
• изменений движения поверхности;
• взаимодействия волн с внутренними слоями звезды.

Поскольку разные типы волн проходят через разные области Солнца, ученые могут восстанавливать структуру недр.

Именно так удалось выяснить:

• строение конвективной зоны;
• скорость вращения внутренних слоев;
• особенности переноса энергии;
• распределение температуры внутри звезды.

Почему изучение недр Солнца настолько важно

Солнце управляет всей Солнечной системой.

Его активность влияет на:

• космическую погоду;
• магнитосферу Земли;
• спутники;
• радиосвязь;
• навигационные системы;
• энергетические сети.

Солнечные вспышки и корональные выбросы массы способны вызывать:

• геомагнитные бури;
• сбои спутников;
• повреждения электроники;
• нарушения GPS и связи.

Поэтому понимание процессов внутри Солнца имеет не только научное, но и практическое значение.

Проблема заключалась в огромных объемах данных

Современные солнечные обсерватории непрерывно собирают колоссальные объемы информации.

Каждый день поступают:

• изображения поверхности;
• карты магнитных полей;
• данные о колебаниях;
• спектральные измерения;
• наблюдения плазмы.

Анализ акустических волн особенно сложен.

Для восстановления внутренней структуры Солнца требуются:

• сложные вычисления;
• моделирование распространения волн;
• обработка огромных массивов сигналов.

На это могут уходить недели и месяцы.

Искусственный интеллект ускоряет анализ

Авторы новой работы использовали методы машинного обучения для распознавания закономерностей в солнеческих колебаниях.

Система обучалась на большом наборе наблюдений и моделей.

После обучения алгоритм смог:

• быстро анализировать волны;
• выявлять скрытые структуры;
• определять особенности внутренних слоев;
• предсказывать характеристики солнечных процессов.

По словам исследователей, ИИ выполняет часть задач значительно быстрее традиционных методов.

Алгоритмы ищут закономерности, которые сложно заметить человеку

Одно из преимуществ искусственного интеллекта заключается в способности работать с чрезвычайно сложными наборами данных.

Колебания Солнца представляют собой смесь огромного количества волн:

• разных частот;
• направлений;
• глубин распространения;
• типов взаимодействия.

Для человека подобная информация выглядит крайне сложной.

Алгоритмы машинного обучения способны находить в ней скрытые зависимости.

Солнце устроено значительно сложнее, чем кажется

Хотя Солнце выглядит как обычный светящийся шар, его внутренняя структура чрезвычайно сложна.

Звезда состоит из нескольких основных областей:

• ядра;
• радиационной зоны;
• конвективной зоны;
• фотосферы;
• хромосферы;
• короны.

В ядре происходит термоядерный синтез.

Температура там достигает примерно 15 миллионов градусов Цельсия.

Именно здесь водород превращается в гелий с выделением огромного количества энергии.

Энергия добирается до поверхности очень долго

Интересно, что фотонам, рождающимся в ядре Солнца, требуются сотни тысяч лет, чтобы добраться до поверхности.

Энергия движется через плотные внутренние слои постепенно, многократно поглощаясь и переизлучаясь.

Только после этого она покидает фотосферу и отправляется в космос в виде солнечного света.

Магнитное поле Солнца остается одной из главных загадок

Особый интерес ученых вызывает солнечное магнитное поле.

Оно формируется благодаря сложному движению плазмы внутри звезды.

Именно магнитные процессы вызывают:

• солнечные пятна;
• вспышки;
• выбросы плазмы;
• изменение активности звезды.

Однако точный механизм формирования и эволюции магнитного поля до сих пор изучен не полностью.

Гелиосейсмология помогает исследовать эти процессы.

Солнечный цикл длится около 11 лет

Активность Солнца изменяется циклически.

Примерно каждые 11 лет количество солнечных пятен достигает максимума, после чего снова снижается. (nasa.gov)

Во время максимума увеличивается вероятность:

• мощных вспышек;
• магнитных бурь;
• корональных выбросов массы.

Понимание внутренних процессов Солнца помогает лучше прогнозировать эти события.

Современные космические аппараты непрерывно наблюдают Солнце

Данные для гелиосейсмологии поступают от нескольких крупных миссий:

• Solar Dynamics Observatory;
• Solar Orbiter;
• Parker Solar Probe;
• SOHO.

Эти аппараты изучают:

• поверхность Солнца;
• солнечный ветер;
• магнитные поля;
• корону;
• внутренние колебания звезды.

Parker Solar Probe подлетает к Солнцу ближе всех в истории

Особенно важную роль играет миссия Parker Solar Probe.

Аппарат стал первым зондом, вошедшим во внешнюю атмосферу Солнца — корону.

Он помогает изучать:

• происхождение солнечного ветра;
• структуру магнитных полей;
• нагрев короны;
• поведение плазмы возле звезды.

Почему корона горячее поверхности — до сих пор загадка

Одна из крупнейших проблем солнечной физики связана с температурой короны.

Поверхность Солнца имеет температуру около 5500 °C, тогда как внешняя атмосфера нагревается до миллионов градусов.

Это кажется парадоксальным.

Ученые до сих пор обсуждают механизмы такого нагрева.

Среди основных гипотез:

• магнитные волны;
• микровспышки;
• сложные плазменные процессы.

Искусственный интеллект все активнее используется в астрономии

Новая работа является частью глобального тренда.

Сегодня ИИ уже применяется для:

• поиска экзопланет;
• обнаружения астероидов;
• анализа галактик;
• классификации звезд;
• обработки радиосигналов;
• поиска гравитационных волн.

Современные телескопы генерируют настолько большие объемы информации, что без автоматизированного анализа работа становится крайне сложной.

ИИ не заменяет ученых

Авторы исследования подчеркивают, что искусственный интеллект является инструментом, а не самостоятельным исследователем.

Алгоритмы помогают:

• ускорять вычисления;
• находить закономерности;
• выделять важные сигналы;
• обрабатывать массивы данных.

Но интерпретация результатов и построение физических моделей по-прежнему остаются задачей ученых.

Изучение Солнца важно для понимания других звезд

Солнце — единственная звезда, внутреннюю структуру которой можно изучать настолько подробно.

Поэтому исследования солнечной физики помогают понимать:

• эволюцию звезд;
• магнитную активность;
• процессы термоядерного синтеза;
• формирование звездных циклов.

Многие механизмы, обнаруженные на Солнце, могут работать и у других звезд Галактики.

Новая технология может ускорить развитие солнечной физики

Исследование показывает, что сочетание:

• космических наблюдений;
• гелиосейсмологии;
• суперкомпьютеров;
• искусственного интеллекта;

открывает новые возможности для изучения Солнца.

В будущем подобные системы могут:

• улучшить прогнозирование солнечной активности;
• ускорить обработку данных;
• повысить точность моделей;
• помочь лучше понять поведение звезд.

По мере роста объемов научной информации роль искусственного интеллекта в астрофизике, вероятно, будет становиться все более важной, особенно в областях, где необходимо анализировать чрезвычайно сложные и быстро меняющиеся процессы внутри звезд.

Источники:
Статья создана по материалам Phys.Org