Το τηλεσκόπιο James Webb της NASA βελτιώνεται με AI

Όταν η NASA εκτόξευσε το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb, αξίας 10 δισεκατομμυρίων δολαρίων, το 2021, οι επιστήμονες χαιρέτησαν την αποστολή ως το μεγαλύτερο επίτευγμα του είδους της εδώ και τρεις δεκαετίες. Σύντομα, ωστόσο, οι επιστήμονες παρατήρησαν ένα σημαντικό πρόβλημα με την πιο καλά συντονισμένη κάμερα στον κόσμο: οι εικόνες της ήταν θολές. Για να λύσουν αυτό το ζήτημα, ένα ζευγάρι Αυστραλών ερευνητών ανέπτυξε ένα πρόγραμμα τεχνητής νοημοσύνης με το όνομα AMIGO (Aperture Masking Interferometry Generative Observations) για να αντιμετωπίσει ζητήματα ανάλυσης στις πιο ισχυρές κάμερες τηλεσκοπίων του Webb.

Η εξέλιξη υπογραμμίζει πώς οι ακραίες αποστάσεις δορυφόρων όπως το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb μπορούν να περιπλέξουν τη συντήρηση και τις επισκευές. Βρίσκεται ένα εκατομμύριο μίλια από τη Γη, το τηλεσκόπιο δεν μπορεί να επισκευαστεί τόσο εύκολα όσο το προκάτοχό του, το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble. Για αναφορά, όταν η NASA εκτόξευσε το Hubble το 1990, τα προβλήματα ευθυγράμμισης των φακών απαιτούσαν μια ειδική αποστολή από το Space Shuttle Endeavor για την εγκατάσταση νέων οπτικών. Ωστόσο, με το JWST, οι χειροκίνητες ρυθμίσεις είναι αδύνατες. Το AMIGO είναι μια εξαιρετική λύση για τους ερευνητές ώστε να προσαρμόσουν τον τρόπο με τον οποίο το JWST ερμηνεύει και επεξεργάζεται δεδομένα, αντί να διασχίζουν το ηλιακό σύστημα για να προσαρμόσουν τους ίδιους τους φακούς. Αυτό το κάνει επαναφέροντας το συμβολόμετρο κάλυψης διαφράγματος (AMI), ένα λεπτό κομμάτι μετάλλου με διάστικτες οπές που επιτρέπει στους ερευνητές να μετρήσουν εάν η κάμερα αντιμετωπίζει οπτικές λανθασμένες ευθυγραμμίσεις με βάση το φως που φιλτράρει.

Το JWST είναι σε θέση να φωτογραφίζει τους παλαιότερους γαλαξίες του σύμπαντος και αλλάζει τον τρόπο με τον οποίο οι επιστήμονες βλέπουν το σύμπαν. Σε λιγότερο από πέντε χρόνια, το τηλεσκόπιο έχει συλλάβει γαλαξίες που γεννήθηκαν πριν από 13,5 δισεκατομμύρια χρόνια, ανακάλυψε αυτό που ορισμένοι πιστεύουν ότι είναι αστέρια που τροφοδοτούνται από τη σκοτεινή ύλη, ανακάλυψε υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες και ακόμη και ξαναέγραψε πώς βλέπουν οι επιστήμονες τα πρώτα στάδια του σύμπαντος. Με τις προσαρμογές που προσφέρει η AMIGO, το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb μπορεί να ανοίξει ένα παράθυρο στα παλαιότερα ερωτήματα της ανθρωπότητας.

Για να κατανοήσετε πώς η AMIGO έλυσε το πιο ακριβό θέμα φωτογραφίας στον κόσμο, πρέπει πρώτα να κατανοήσετε πώς λειτουργεί το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb. Ουσιαστικά, ο Webb χρησιμοποιεί μια σειρά από κάτοπτρα για να ανακλά το υπέρυθρο φως στα όργανα εγγραφής εικόνας των τηλεσκοπίων. Το μέγεθος αυτών των κατόπτρων, ο μεγαλύτερος από τους οποίους ζυγίζει πάνω από 1.500 λίβρες και έχει πλάτος 21 πόδια, επιτρέπει στον Webb να καταγράφει εικόνες υψηλής ανάλυσης από εξαιρετικά αμυδρά και μακρινούς γαλαξίες. Κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας, ο Webb αντιμετώπισε ένα κοινό πρόβλημα με τις κάμερες υπερύθρων που ονομάζεται ηλεκτρονικό εφέ, στο οποίο τα φωτεινότερα pixel της εικόνας διέρρευσαν στα πιο σκοτεινά αντίστοιχα, θολώνοντας έτσι την εικόνα. Σύμφωνα με τους ερευνητές, το ζήτημα ήταν δέκα φορές μεγαλύτερο από ό,τι αναμενόταν αρχικά, καθιστώντας δύσκολη τη μελέτη μακρινών πλανητών που φαινόταν πιο αμυδρά από τα αστέρια τους.

Για να διορθώσουν αυτό το ζήτημα, οι ερευνητές κατασκεύασαν το σύστημα AMIGO για να διορθώσει τις ηλεκτρονικές παραμορφώσεις του Webb διδάσκοντάς του να αναπαράγει τα οπτικά και τα ηλεκτρονικά του τηλεσκοπίου. Με αυτόν τον τρόπο, το πρόγραμμα έμαθε να διορθώνει περιπτώσεις όπου ηλεκτρικά φορτία εισχωρούν σε γειτονικά pixel, επιτρέποντας στην ομάδα να επαναφέρει την απόδοση του AMI σε ύψη που δεν είχαν φτάσει στο παρελθόν. Ως ένας ερευνητής που συνδέεται με το έργο είπε σε δελτίο τύπου“Αντί να στείλουν αστροναύτες να βιδώσουν νέα εξαρτήματα, κατάφεραν να διορθώσουν τα πράγματα με κώδικα.” Σύμφωνα με ερευνητές, το πρόγραμμα AMIGO βοήθησε το τηλεσκόπιο να τραβήξει φωτογραφίες πλανητών μακρύτερα από ποτέ, επιτρέποντας στους ερευνητές να απομονώνουν πιο αμυδρά διαστημικά αντικείμενα και να παράγουν πιο ευκρινείς εικόνες σε υψηλότερη ανάλυση.

Αμέσως μετά την κυκλοφορία του AMIGO, ερευνητές στο Πανεπιστήμιο του Σίδνεϋ δημιούργησαν δύο πρωτοποριακές εργασίες που παρουσιάζουν τις νέες δυνατότητες του JWST. Στο πρώτο, με επικεφαλής τον Ph.D. φοιτητής Louis Desdoigts, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν το σύστημα AMIGO για να διορθώσουν τις ηλεκτρονικές παραμορφώσεις του τηλεσκοπίου κατά την παρατήρηση μακρινών αστρικών συστημάτων. Στη μελέτη, το τηλεσκόπιο Webb κατέγραψε εικόνες ενός εξωπλανήτη και ενός καφέ νάνου περίπου 133 έτη φωτός μακριά. Πριν από τις διορθώσεις, οι επιστήμονες γνώριζαν αυτά τα μακρινά αντικείμενα, αλλά δεν μπορούσαν να συλλάβουν οπτικά στοιχεία λόγω του φωτός από το κοντινό τους αστέρι, HD 206893. Μετά τις διορθώσεις, ωστόσο, και τα δύο αντικείμενα εμφανίστηκαν στον χάρτη του επιστήμονα του μακρινού αστρικού συστήματος. Όπως αποδεικνύεται από τη μελέτη, οι νέες λειτουργίες AMI του τηλεσκοπίου θα επιτρέψουν στους επιστήμονες να αναζητήσουν άγνωστους πλανήτες σε προηγουμένως αδιανόητες αναλύσεις.

Η AMIGO επέτρεψε επίσης στον Webb να παράγει πιο ευκρινείς εικόνες, τραβώντας συναρπαστικά στιγμιότυπα από μαύρες τρύπες, φλογερά φεγγάρια και μακρινούς, σκονισμένους αστρικούς ανέμους. Σε μια δεύτερη μελέτηοι ερευνητές επανεξέτασαν μερικούς από τους πιο δύσκολους στόχους του τηλεσκοπίου, ξεπερνώντας τα όρια των δυνατοτήτων του. Στη μελέτη, το τηλεσκόπιο χρησιμοποίησε το AMIGO για να απαθανατίσει τη σκόνη που υψώνεται γύρω από ένα ζευγάρι μακρινά αστέρια, τα ρεύματα πίδακα που αναβλύζουν από μαύρες τρύπες και τα πιο ενεργά σεληνιακά ηφαίστεια του Δία στην Ιο.

Αν και το σύστημα AMIGO βρίσκεται στα στάδια ανάπτυξής του, οι ερευνητές είναι βέβαιοι ότι μπορεί να ανοίξει μια νέα εποχή διαστημικής επιστήμης για το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb και τον διάδοχό του, το Nancy Grace Roman Space Telescope της NASA. Το παρατηρητήριο που πρόκειται να εκτοξευθεί τον Μάιο του 2027, θα έχει θέα πεδίου 100 φορές μεγαλύτερη από αυτή του Hubble, δίνοντας στους επιστήμονες οπτική πρόσβαση σε περίπου ένα δισεκατομμύριο γαλαξίες καθώς ερευνούν τη σκοτεινή ενέργεια και την ύλη, τους μακρινούς εξωπλανήτες και την υπέρυθρη αστροφυσική. Δηλαδή, εάν οι περικοπές στον προϋπολογισμό του Προέδρου Τραμπ δεν σκοτώσουν το έργο προτού ξεκινήσει.