การวาดภาพดวงอาทิตย์ด้วยเทคโนโลยีปัญญาประดิษฐ์ AI

       จุดบอดบนดวงอาทิตย์ทำให้เกิดสนามแม่เหล็กที่เรืองแสงอย่างเจิดจ้าในแสงอัลตราไวโอเลตภาพนี้ประกอบด้วย ๒๓ ภาพที่แยกจากกันซึ่งถ่ายในช่วงวันที่ ๑๑ มกราคม ๒๐๑๕ ถึง ๒๑ มกราคม ๒๐๑๖ ศูนย์การบินอวกาศก็อดดาร์ดของนาซ่า/SDO/S วีสซิงเกอร์ ดินสอ: Vlad Ivantcov/Dreamstime โดย Solar Dynamics Observatory ของ NASA ซึ่งแสดงภูมิภาคที่มีการใช้งานในช่วงเวลานั้น

วิธีที่เก่าแก่ที่สุดในการบันทึกดวงอาทิตย์มีเทคนิคใหม่ๆ เกี่ยวกับปัญญาประดิษฐ์ ในทุกเช้าที่อากาศแจ่มใสของแคลิฟอร์เนียตอนใต้ Steve Padilla ก้าวออกจากบ้านของเขาที่หอดูดาว Mount Wilson ในเทือกเขา San Gabriel ซึ่งมองเห็นลอสแองเจลิสและมหาสมุทรแปซิฟิกจากระดับความสูงประมาณ ๕,๗๐๐ ฟุต (๑,๗๔๐ เมตร) จากนั้น เขาเดินไปที่กล้องโทรทรรศน์สุริยะที่สูงที่สุดของหอดูดาวที่มีชื่อเสียง และขึ้นไปสูงขึ้นไป ๑๕๐ ฟุต (๔๖ ม.) บนยอดหอคอยเก่าแก่ เขายืนอยู่บนแท่นที่สั่นสะท้านอย่างล่อแหลม ขณะที่เขาเอนตัวไปปรับกระจกแบนของกล้องดูดาว สิ่งเหล่านี้ติดตามดวงอาทิตย์และสะท้อนแสงไปยังเลนส์ใกล้วัตถุของขอบเขต ซึ่งฉายภาพดิสก์สุริยะขนาดกว้าง ๑๗ นิ้ว (๔๓ ซม.) ลงบนแผ่นกระดาษบนโต๊ะในห้องสังเกตการณ์ระดับพื้นดินด้านล่าง      

จากนั้น Padilla ก็ลงมาที่ห้องนั้น และเริ่มวาดภาพดวงอาทิตย์ บันทึกจุดดำที่ระจัดกระจายไปทั่วดิสก์ที่ปิดทอง เป็นวิธีการที่มีการปฏิบัติกันเกือบทุกวัน ที่มีแดดจ้า ณ Mount Wilson มานานกว่า ๑๐๔ ปีทำให้เกิดชุดข้อมูลจุดบอดบนดวงอาทิตย์ยาวที่สุดในโลก สิ่งนี้เคยเป็นหน้าที่ของนักดาราศาสตร์ แต่ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา เงินทุนสำหรับการวิจัยพลังงานแสงอาทิตย์ที่ Mount Wilson หมดลง นายทหาร Padilla ทำหน้าที่เป็นผู้รักษาเปลวเพลิงเพียงคนเดียว

ตอนนี้ ข้อมูลจำนวนมากที่รวบรวมโดยวิธีการที่ล้าสมัยที่สุดกำลังกลายเป็นประโยชน์สำหรับกลุ่มนักวิจัยในเกาหลีใต้ที่กำลังใช้เทคนิคสมัยใหม่ในปัญญาประดิษฐ์กับข้อมูลดังกล่าว ทีมงานที่มหาวิทยาลัย Kyung Hee ในกรุงโซลได้ใช้ข้อมูลของ Mount Wilson เพื่อฝึกอัลกอริทึมการเรียนรู้เชิงลึกเพื่อพยายามดึงข้อมูลสนามแม่เหล็กจากภาพสเก็ตช์จุดบอดบนดวงอาทิตย์ การทำงานจากภาพสเก็ต AI แสดงดวงอาทิตย์ราวกับว่า ถูกสังเกตโดยดาวเทียมสมัยใหม่ รูปภาพที่สร้างโดย AI นั้นไม่สมบูรณ์แบบ แต่สามารถใช้เพื่อรวบรวมข้อมูลเกี่ยวกับความแรงของสนามแม่เหล็กของดวงอาทิตย์ในบริเวณที่ร่างภาพเหล่านั้นได้

งานนี้ น่าสนใจมาก โรเจอร์ อูลริช ผู้อำนวยการหอสุริยะขนาด ๑๕๐ ฟุตของเมาท์วิลสันกล่าว ขั้นตอนแรกของพวกเขาคือการแสดงให้เห็นว่าวิธีการนั้นใช้งานได้จริง และพวกเขาก็ทำอย่างนั้น ดังนั้นมันจึงน่าสนใจที่จะดูว่าพวกเขาสามารถบรรทุกได้ไกลแค่ไหน

DEEP LEARNING การเรียนรู้อย่างลึกซึ้ง

ในฤดูร้อนปี ค.ศ.๑๖๑๒ กาลิเลโอ กาลิเลอี หันกล้องดูดาวของเขาไปที่ดาวฤกษ์ที่ใกล้ที่สุดของเรานั่นคือดวงอาทิตย์ โดยฉายภาพบนหน้าจออย่างปลอดภัย เขาประหลาดใจที่พบว่าลูกแก้วปิดทองถูกจุดดำเล็กๆที่เคลื่อนผ่านใบหน้าของมัน แม้ว่าเขาจะไม่ใช่คนแรกที่ค้นพบจุดบอดบนดวงอาทิตย์ดังกล่าว แต่ภาพสเก็ตที่วาดด้วยมือของเขายังคงเป็นภาพวาดที่เก่าแก่ที่สุดบางส่วนที่ยังหลงเหลืออยู่

การ Train Model ให้ AI เพื่อ สอน AI สำหรับสร้างภาพเทียมและภาพสนามแม่เหล็ก ทีม Kyung Hee ได้สร้างชุดข้อมูลการฝึกอบรมของภาพสเก็ตที่วาดด้วยมือจากเอกสารสำคัญของ Mount Wilson(ตัวอย่างอยู่ที่ด้านบนซ้าย) และภาพถ่ายดาวเทียมและภาพแม่เหล็กที่เกี่ยวข้อง (ที่คอลัมน์ด้านซ้าย ด้านซ้าย)วิธีที่ทีมใช้ในการ Train Model ให้ AI เรียกว่าเครือข่ายปฏิปักษ์ อัลกอริทึมหลักพยายามสร้างภาพเทียมโดยอิงจากภาพสเก็ตที่คล้ายกับข้อมูลจริงมากที่สุด จากนั้นอัลกอริทึมที่สองทำหน้าที่เป็นคู่ซ้อมโดยชี้ให้เห็นข้อบกพร่องในความพยายามครั้งแรกของอัลกอริทึม หลังจากพยายามฝึกประมาณ ๒๑๐,๐๐๐ ครั้ง
AI ก็สามารถสร้างภาพและแมกนีโตแกรมที่ดูคล้ายกับการสังเกตที่เกิดขึ้นจริงได้อย่างชัดเจน (ที่คอลัมน์ซ้าย, ขวา)จากนั้น ทีมงานได้นำแบบจำลองนี้ไปใช้กับภาพร่างจุดบอดบนดวงอาทิตย์ในอดีต กาลิเลโอร่างภาพที่ด้านบนขวาของดิสก์ของดวงอาทิตย์เมื่อวันที่ ๒ มิถุนายน ค.ศ.๑๖๑๓ ภาพที่สร้างโดย AI (ด้านขวา) แสดงถึงสิ่งที่ดาวเทียมสำรวจดวงอาทิตย์อาจเห็นได้หากอยู่ในสมัยของกาลิเลโอ แต่ละภาพสอดคล้องกับความยาวคลื่นของแสงที่แตกต่างกัน ดาราศาสตร์ : Roen Kelly ข้อมูลดาวเทียมแมกนีโตแกรม: NASA/SDO/Goddard Space Flight Center ภาพอื่นๆ ทั้งหมดทำซ้ำจาก Lee et al (๒๐๒๑) แน่นอนว่าวันนี้ นักดาราศาสตร์มีวิธีสังเกตดวงอาทิตย์ขั้นสูงกว่ามาก ภาพถ่ายจากภาคพื้นดินและภาพถ่ายจากดาวเทียมจับภาพดวงอาทิตย์ในความยาวคลื่นหลายช่วงเผยให้เห็นโครงสร้างที่ซับซ้อนของสนามแม่เหล็กที่สร้างจุดบอดบนดวงอาทิตย์ รายละเอียดที่อาจทำให้กาลิเลโอและการสังเกตด้วยภาพของเขาคลาดเคลื่อนได้ทีม Kyung Hee มุ่งมั่นที่จะสร้างโปรแกรมที่สามารถหยอกล้อรายละเอียดเหล่านี้ โดยทำหน้าที่เป็นสะพานเชื่อมระหว่างบันทึกทางทีม Kyung Hee มุ่งมั่นที่จะสร้างโปรแกรมที่สามารถหยอกล้อรายละเอียดเหล่านี้ โดยทำหน้าที่เป็นสะพานเชื่อมระหว่างบันทึกทางประวัติศาสตร์และการสังเกตการณ์ผ่านดาวเทียมสมัยใหม่ ในการทำเช่นนั้น พวกเขาใช้โครงข่ายประสาทเทียม ซึ่งเป็นอัลกอริทึมที่ได้รับการฝึกฝนเกี่ยวกับข้อมูลจำนวนมากเพื่อเรียนรู้การทำงาน ในกรณีนี้ นักวิจัยต้องการป้อนแบบจำลองด้วยภาพร่างจุดบอดบนดวงอาทิตย์ ซึ่งจับเฉพาะลักษณะที่ปรากฏของพื้นผิวดวงอาทิตย์เท่านั้น จากนั้นอัลกอริทึมจะแยกแยะประเภทของภาพที่ดาวเทียม Solar Dynamics Observatory (SDO) ของ NASA อาจจับภาพในแถบแสงอัลตราไวโอเลตต่างๆ ซึ่งบริเวณจุดบอดบนดวงอาทิตย์เรืองแสงได้อย่างสดใส

นักดาราศาสตร์สมัครเล่น Richard Carrington วาดภาพกลุ่มจุดบอดบนดวงอาทิตย์นี้ เมื่อวันที่ ๑ กันยายน พ.ศ. ๒๔๐๒ โดยสังเกตสิ่งที่เขาเรียกว่า การเกิดขึ้นเพียงครั้งเดียว ของ แสงสีขาวสว่างจ้าสองหย่อม ที่ดูเหมือนจะแยกออกจากพื้นผิวของดวงอาทิตย์ (ทำเครื่องหมายด้วย ตัวอักษร A และ B) ประมาณ ๑๘ ชั่วโมงต่อมา พลาสมาจำนวนหนึ่งพุ่งออกมาจากบริเวณดวงอาทิตย์นั้นก็พุ่งเข้าสู่สนามแม่เหล็กของโลก ทำให้เกิดพายุแม่เหล็กโลกที่แรงที่สุดลูกหนึ่งในบันทึกสมัยใหม่ ราชสมาคมดาราศาสตร์

ประเพณีวิธีการวาดภาพ

เพื่อให้โมเดลมีชุดข้อมูลการฝึกอบรม พวกเขาจึงหันไปใช้เอกสารสำคัญของ Mount Wilsonเป็นกรรมวิธีของการสเก็ตจุดบอดบนดวงอาทิตย์ทุกวันที่สถานที่ดังกล่าวมีขึ้นจนถึง ๔ มกราคม พ.ศ. ๒๔๖๐ และยังคงมีอยู่แม้จานถ่ายภาพที่เพิ่มขึ้น ขณะที่ Edwin Hubble กำลังใช้กล้องโทรทรรศน์ Hooker ขนาด ๑๐๐ นิ้วทั่วทั้งบริเวณหอดูดาวเพื่อถ่ายภาพกาแลคซี่และพิสูจน์ว่าพวกเขาเป็น จักรวาลของเกาะ ของตัวเองภาพสเก็ตที่วาดด้วยมือยังคงเป็นวิธีการเลือกบันทึกดวงอาทิตย์ที่สุริยะ ๑๕๐ ฟุต กล้องโทรทรรศน์

George Ellery Hale ผู้ก่อตั้งหอดูดาว Mount Wilson ได้มอบหมายให้หอคอยสุริยะ ๑๕๐ ฟุต เพื่อติดตามการค้นพบที่สำคัญที่สุดอย่างหนึ่งของเขา ซึ่งจุดบอดบนดวงอาทิตย์มีสนามแม่เหล็กแรงสูง ความยาว ๑๕๐ ฟุตหมายถึงความยาวโฟกัสของกล้องโทรทรรศน์ เลนส์หลัก f/๑๕๐ ขนาด ๑๒ นิ้วอยู่ที่ด้านบนของหอคอย และฉายภาพไปยังห้องสังเกตการณ์ที่ระดับพื้นดิน Steve Padilla

          เหตุผลหนึ่งคือจานภาพถ่ายไม่ใหญ่พอที่จะจับภาพขนาดกว้าง ๑๗ นิ้วได้ทั้งหมด แต่การสังเกตด้วยตาและมือมีข้อดีอื่น ๆ เหนือภาพถ่ายในยุคแรกๆ Padilla กล่าว โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อการมองเห็นไม่ดีและอากาศปั่นป่วนในบรรยากาศทำให้ภาพบิดเบี้ยว ดวงตาของคุณจะรวมรายละเอียด Padilla กล่าว แม้ว่าการมองเห็นจะไม่สมบูรณ์แบบ หากคุณได้รับช่วงเวลาที่มองเห็นได้คมชัด ดวงตาของคุณจะสังเกตเห็นสิ่งนั้น และคุณสามารถวาดรายละเอียดที่ละเอียดนั้นได้ ในทางตรงกันข้ามกับรูปถ่าย หากคุณมองเห็นภาพไม่ดี คุณก็จะได้ภาพที่ไม่ชัดและไม่มีรายละเอียดมากนัก

ผลตอบแทนระยะยาว Ulrich หวังว่างานนี้จะเป็นจุดเริ่มต้นของสิ่งที่เขาหวังมานาน ความคิดที่จะย้อนกลับไปและการฟื้นคืนชีพของโครงสร้างแมกนีโตแกรมทั่วโลกแบบเก่าสำหรับดวงอาทิตย์ ทำให้ผมทึ่งเสมอว่าเป็นสิ่งที่มีค่า เขากล่าว ภาพวาดจุดบอดบนดวงอาทิตย์มีข้อมูลบางส่วน แต่เห็นได้ชัดว่าไม่เพียงพอหากไม่มีแนวทาง AI อื่น อย่างไรก็ตาม ข้อจำกัดอย่างหนึ่งของแบบจำลองนี้ก็คือ มันไม่สร้างบริเวณที่ไม่เคลื่อนไหวของดวงอาทิตย์ด้วยสนามแม่เหล็กที่อ่อนแอ ซึ่ง Ulrich กล่าวว่าจำเป็นต้องได้ภาพที่ครอบคลุมของสนามแม่เหล็กของดวงอาทิตย์ในช่วงเวลาใดก็ตาม อดีตหรือ ปัจจุบัน. แม้ว่าเขาจะยอมรับว่าไม่อาจแก้ปัญหาได้ แต่เขากล่าว Ulrich และทีมของเขาถูกบังคับให้หยุดการวิจัยที่หอสุริยะ ๑๕๐ ฟุตในปี ๒๕๕๕ เนื่องจากอุปกรณ์ขัดข้องและขาดเงินทุน แต่เขารู้สึกพอใจที่เห็นว่าความพยายามของพวกเขาในการแปลงข้อมูลเป็นดิจิทัลนั้นมีประโยชน์นั่นเป็นส่วนหนึ่งที่ทำให้ฉันต้องการให้ภาพวาดออกไปสู่สายตาผู้คน เขากล่าว ในระหว่างนี้ Padilla วางแผนที่จะอาศัยอยู่ที่ Mount Wilson ต่อไปและวาดภาพสเก็ตต่อไป ตราบเท่าที่เขาจะทำได้ หอดูดาวรอดชีวิตจากการถูกโจมตีอย่างใกล้ชิดจากเหตุเพลิงไหม้ Bobcat Fire ปี ค.ศ.๒๐๑๙ ด้วยสิ่งอำนวยความสะดวกที่เกือบถูกไฟไหม้ Padilla ถูกบังคับให้อพยพ ผมเห็นกลุ่มควันขนาดใหญ่ทุกวัน เขากล่าว ในตอนเย็น คุณสามารถมองขึ้นไปและเห็นเปลวไฟสีแดงที่แผดเผา จากนั้นไม่กี่เดือนหลังจากที่เขากลับมา หอดูดาวก็ถูกปิดเนื่องจากการระบาดของโควิด-๑๙ ปาดิลลาได้เฝ้ามองหมีและสัตว์ป่าอื่นๆ กลับคืนมาเมื่ออยู่บนยอดเขาที่อาบไปด้วยความเงียบอันน่าขนลุก มันกำลังจะกลับไปสู่สภาพที่เป็นธรรมชาติมากขึ้น เขากล่าว ตลอดเวลาที่เขาทำกิจวัตรประจำวันในการเปิดกล้องโทรทรรศน์สุริยะและร่างดวงอาทิตย์ นั่นเป็นสิ่งที่ดีสำหรับฉันท่ามกลางการระบาดใหญ่ Padilla กล่าว มันทำให้ฉันอดทนกับบางสิ่ง

ที่มา : https://astronomy.com/magazine/news/๒๐๒๑/๑๑/sketching-the-sun-with-ai

แปลและเรียบเรียงโดย ร.อ.ยุทธนา สุพรรณกลาง