Zdjęcie w tle: NASA

Teleskopy i sondy kosmiczne badające Słońce muszą pracować w bardzo trudnych warunkach. Umieszczone na nich urządzenia badawcze są stale bombardowane energetycznymi cząsteczkami słonecznymi (ang. Solar Energetic Particles – SEP) i intensywnym promieniowaniem słonecznym. Pod ich długotrwałym wpływem, delikatne czujniki teleskopów słonecznych zaczynają powoli zużywać się, co przekłada się na zmniejszenie ich czułości i sprawia, że wysyłane przez nie dane są coraz bardziej zniekształcone. Naukowcy starają się zniwelować te zniekształcenia, przeprowadzając okresowe kalibracje sprzętu. Dzięki temu, znając stopień zużycia przyrządów, są w stanie nanosić odpowiednie poprawki na otrzymane z teleskopu dane.

Przykładów takiego działania dostarcza obserwatorium Solar Dynamics Observatory (SDO). Ten wyniesiony na orbitę w 2010 roku satelita od lat wykonuje zdjęcia Słońca w wysokiej rozdzielczości. Jednym z urządzeń na SDO odpowiedzialnych za tworzenie obrazów naszej gwiazdy jest tzw. Zestaw Obrazujący Atmosferę (ang. Atmospheric Imaging Assembly – AIA). Instrument ten, co 12 sekund wykonuje zdjęcia Słońca w 10 różnych długościach fal z zakresu ultrafioletu. Z jednej strony jest on niezastąpionym źródłem informacji o Słońcu, z drugiej ciągła ekspozycja AIA na promieniowanie słoneczne powoduje rosnące zużycie aparatury, co pociąga za sobą konieczność coraz częstszych kalibracji danych.

Grafika przedstawia zdjęcia Słońca wykonane przez SDO w siedmiu różnych długościach fal ultrafioletowych. Zdjęcia w górnym rzędzie wykonano w maju 2010 roku. Obrazy w dolnym rzędzie pochodzą z roku 2019 i ukazują stopień zużycia aparatury SDO.

Naukowcy dokonują kalibracji AIA z wykorzystaniem tzw. rakiet sondujących (ang. sounding rockets). Są to małych rozmiarów rakiety, niosące ze sobą zaledwie kilka przyrządów pomiarowych. Wykonują one krótkie loty, trwające zwykle nie dłużej niż 15 minut, podczas których robią zdjęcia Słońca w tych samych długościach fal co SDO (zdjęć takich nie można zrobić z Ziemi, gdyż atmosfera pochłania większość promieniowania ultrafioletowego). Dzięki porównaniu danych dostarczonych przez rakiety sondujące ze zniekształconymi danymi zebranymi przez AIA, naukowcy są w stanie ocenić stopień zużycia Zestawu Obrazującego i nanosić odpowiednie korekty na obrazy dostarczane przez SDO.

Porównanie obrazu dostarczonego przez AIA w 2021 roku przed (po lewej) i po kalibracji.

Metoda ta ma jednak pewne wady. Rakiety sondujące nie mogą startować zbyt często, podczas gdy negatywny wpływ promieniowania słonecznego na AIA jest ciągły. W efekcie, w okresie pomiędzy kolejnymi kalibracjami korekty nanoszone przez naukowców mogą być nieco niedokładne. Co więcej, w przypadku teleskopów kosmicznych nieorbitujących Ziemi, ta metoda staje się jeszcze bardziej kłopotliwa.

Mając to na uwadze, badacze zaczęli szukać innej metody, pozwalającej na ciągłą kalibrację. Z pomocą przyszły im narzędzia należące do sztucznej inteligencji, a konkretnie – uczenia maszynowego.

Pierwszym etapem prac było wytrenowanie algorytmu do rozpoznawania struktur słonecznych w danych dostarczanych przez AIA. W tym celu naukowcy wykorzystali dane z lotów rakiet sondujących. Każdy obraz z rakiety sondującej porównywany był z odpowiadającym mu obrazem z AIA. W ten sposób, po przeanalizowaniu dostatecznej ilości przykładów, algorytm nauczył się samemu oceniać, jak duża kalibracja jest potrzebna dla każdego obrazu dostarczonego przez AIA. Ponieważ AIA rejestruje fale różnej długości, tę samą procedurę należało powtórzyć dla każdej z nich. Efekt był jednak imponujący: algorytm był w stanie poprawnie rozpoznawać rozbłyski słoneczne, oceniać stopień zużycia AIA, oraz nanieść potrzebne poprawki i to we wszystkich długościach fal!

Obrazy w górnym rzędzie zostały uzyskane przez SDO w kolejnych latach misji. Dolny rząd zawiera te same obrazy po kalibracji z wykorzystaniem uczenia maszynowego.

Co więcej, po przetestowaniu algorytmu okazało się, że daje on wyniki praktycznie identyczne z tymi uzyskanymi przez rakiety sondujące. Dzięki temu astronomowie będą w stanie w lepszy sposób kalibrować dane z AIA pomiędzy lotami rakiet sondujących, co przełoży się na większą dokładność danych otrzymywanych z SDO.

Wraz z rozwojem metod sztucznej inteligencji, będą poszerzać się również jej zastosowania w badaniach wszechświata. Być może w przyszłości będzie ona na tyle rozwinięta, że do kalibracji danych w ogóle nie będą potrzebne rakiety sondujące. Byłoby to bardzo pożądane przy planowaniu misji bardziej odległych od Ziemi, dla których kalibrowanie przyrządów z wykorzystaniem dotychczasowych metod nie będzie możliwe.

Autor

Jan Roguwski