ИИ определяет массу самых энергичных частиц космического излучения

Использование искусственного интеллекта (ИИ) вызывает у многих людей опасения, поскольку нейронные сети, смоделированные по аналогии с человеческим мозгом, настолько сложны, что даже эксперты их не полностью понимают. Однако риск для общества от применения непрозрачных алгоритмов зависит от области применения. В то время как ИИ может нанести большой ущерб на демократических выборах через манипуляции в социальных сетях, в астрофизике, в худшем случае, он приводит к неверному представлению о космосе, говорит доктор Йонас Гломбица из Эмпирического центра астрофизики частиц (ECAP) при Университете Фридриха-Александера в Эрлангене (FAU). Астрофизик использует ИИ для ускорения анализа данных с обсерватории, исследующей космическое излучение. «Результаты показывают, что самые энергичные частицы, достигающие Земли, обычно не являются протонами, а значительно более тяжелыми ядрами, такими как атомы азота или железа», — говорит Гломбица. Его анализ был недавно опубликован в журнале Physical Review Letters.

Первоначальный скептицизм

«Я нашел использование машинного обучения в астрофизике захватывающим», — говорит Гломбица. В 2017 году он начал программировать инструменты машинного обучения в RWTH Ахен, затем в 2022 году переехал в FAU и получил премию ETI, которая поддерживает таланты университета, в 2025 году. Термин «искусственный интеллект» — это тот, который физик использует неохотно, поскольку существует отсутствие консенсуса по его использованию, и он часто вызывает спорные обсуждения. Тем не менее, Гломбица изначально было трудно убедить своих коллег в преимуществах более понятного термина «машинное обучение», так как большая часть этого процесса является «черным ящиком». Прорыв произошел, когда результаты ИИ можно было подтвердить наблюдениями с телескопов.

Излучение от далеких галактик

Космическое излучение ультравысокой энергии, вероятно, происходит от галактик за пределами Млечного Пути. Оно состоит из атомных ядер с зарядом от 10^18 до 10^20 электронвольт, что делает эти частицы самыми энергичными среди известных в природе. При входе в атмосферу Земли эти первичные частицы взаимодействуют и вызывают атмосферный дождь — каскад бесчисленных меньших частиц, таких как электроны, позитроны, фотоны и мюоны. Некоторые из них поглощаются атмосферой, в то время как другие достигают поверхности Земли в радиусе нескольких квадратных километров. В ходе взаимодействия каскада частиц с молекулами азота в атмосфере возникает флуоресцентный свет, который могут измерять специализированные телескопы, такие как обсерватория Пьера Огже, крупнейшее в мире учреждение по исследованию космического излучения.

«Измерения там идут уже 15 лет», — говорит Гломбица. Согласно нашим знаниям о формировании атомов, первичные частицы ультравысокой энергии могут состоять из любых элементов — от водорода до железа. Из-за своей большой массы атом железа может вызывать гораздо более сложный каскад частиц при входе в атмосферу Земли, чем один протон. Наибольшее количество частиц в дожде, которые создают максимальный флуоресцентный свет, появляется на большем расстоянии от поверхности Земли. В отличие от этого, первичная частица меньшей массы может проникать гораздо глубже в атмосферу, прежде чем ее каскад частиц достигнет максимального света.

Только в ясные безлунные ночи

Анализ максимального флуоресцентного света дает хорошие подсказки о массе первичной частицы. Однако телескопы работают только в ясные безлунные ночи, поэтому данных для статистической оценки гораздо меньше, чем с наземных детекторов, которые работают круглосуточно. Однако до сих пор не удавалось восстановить максимальный свет каскада частиц из сложных распределений, зафиксированных наземными детекторами.

Эту задачу теперь решает ИИ. Он был обучен восстанавливать бесчисленные смоделированные каскады частиц, где распределение частиц теперь позволяет делать выводы о массе первичной частицы. Затем модели калибруются с реальными наблюдениями телескопов. Таким образом, данные с наземных детекторов 60 000 каскадов частиц могут использоваться для оценки массы. «Чтобы достичь тех же результатов без ИИ, нам бы пришлось наблюдать с телескопами 150 лет. Это и есть тот прорыв, который я достиг», — говорит Гломбица.

• Телескоп JWST сделал первые прямые снимки углекислого газа за пределами Солнечной системы
• Новая теория предполагает, что слияния звезд производят частицы с самой высокой энергией во Вселенной
• Частный лунный посадочный аппарат Blue Ghost успешно приземлился на Луне с особой доставкой для NASA
• Почему опасные астероиды, такие как 2024 YR4, будут беспокоить Землю в течение десятилетий
• Новое топливо выдерживает условия работы ядерного термоядерного двигателя
• Новая возможность определять источники быстрых радиовсплесков
• Новые события поведение черной дыры
• Рождение нового джета