Раскрываем магнитные тайны Солнца: картографирование с помощью ИИ позволяет увидеть сложные детали

Исследователи из Института астрономии Гавайского университета (IfA) помогают изменить то, как ученые изучают Солнце. Команда, возглавляемая UH, разработала новый инструмент искусственного интеллекта (ИИ), который может отображать магнитное поле Солнца в трех измерениях с беспрецедентной точностью, поддерживая исследования, связанные с Национальным научным фондом США (NSF) Дэниела К. Солнечный телескоп Inouye построен и управляется Национальной солнечной обсерваторией NSF (NSO) на Халеакале.

Результаты исследования команды опубликованы в Астрофизическом журнале: https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ae12ef

Иллюстрация задачи и сетки в вычислительной области. Здесь x и y — оси в плоскости изображения, а z-ось направлена вдоль линии визирования. Изогнутая сетка показывает углубление вдоль линии визирования для слоёв оптической глубины.
-------------

«Солнце — самый мощный источник космической погоды, который может влиять на повседневную жизнь здесь, на Земле, особенно сейчас, когда мы так сильно зависим от технологий, — сказал Кай Янг, научный сотрудник Института астрономии, который руководил работой. — Магнитное поле Солнца вызывает такие взрывные явления, как солнечные вспышки и корональные выбросы массы. Этот новый метод помогает нам понять, что вызывает эти явления, и улучшает прогнозы космической погоды, позволяя нам получать более ранние предупреждения для защиты систем, которые мы используем каждый день».

Гибридное изображение коронального выброса массы и солнечной хромосферы. Источник: SOHO — ЕКА и НАСА
-----------

Магнитное поле Солнца управляет вспышками, которые могут выводить из строя спутники, энергосистемы и средства связи на Земле. Однако это поле сложно измерить, что затрудняет создание точных карт. Приборы могут показать, в какую сторону наклонено поле, но не могут определить, направлено ли оно в нашу сторону или от нас, как если бы вы смотрели на верёвку сбоку и не знали, какой конец ближе.

Другой проблемой является высота. Когда ученые смотрят на Солнце, они видят несколько слоев одновременно, поэтому трудно сказать, насколько высока каждая магнитная структура на самом деле. солнечные пятна усложняют задачу, потому что их сильные магнитные поля изгибают поверхность вниз, создавая провал.

Первое изображение солнечного пятна, полученное с помощью солнечного телескопа Дэниела К. Иноуэ. Источник: NSO/AURA/NSF
---------

Выводы, сделанные с помощью искусственного интеллекта
Исследователи из компании IfA в сотрудничестве с Национальной солнечной обсерваторией и Высокогорной обсерваторией Национального центра атмосферных исследований NSF создали новую систему машинного обучения, которая сочетает реальные данные с основными законами физики. Их алгоритм, Haleakalā Disambiguation Decoder, основан на простом правиле: магнитные поля образуют петли и не имеют начала или конца. Исходя из этого, ИИ может определить истинное направление поля и оценить правильную высоту каждого слоя.

Этот метод хорошо зарекомендовал себя при работе с детализированными компьютерными моделями Солнца, включая спокойные области, яркие активные зоны и солнечные пятна. Его точность особенно полезна при анализе изображений высокого разрешения, полученных с помощью солнечного телескопа имени Дэниела К. Иноуэ.

«С помощью этого нового инструмента машинного обучения солнечный телескоп имени Дэниела К. Иноуэ может помочь учёным составить более точную трёхмерную карту магнитного поля Солнца, — сказал Ян. — Он также выявляет связанные с этим явления, такие как векторные электрические токи в солнечной атмосфере, которые раньше было очень сложно измерить. Всё это даёт нам более чёткое представление о том, что вызывает мощные солнечные вспышки».

Более чёткое представление о Солнце
Благодаря этим достижениям исследователи могут более точно изучать магнитное поле Солнца и улучшать прогнозы солнечной активности, которая влияет на жизнь на Земле.