Nowe unikatowe wykorzystanie AI do precyzyjnych pomiarów pulsarów
Pulsary, wirujące gwiazdy neutronowe emitujące falowe elektromagnetyczne z zegarmistrzowską precyzją, od lat są obiektem intensywnych badań. Ich regularne sygnały pozwalają nie tylko testować ogólną teorię względności, ale również polować na fale grawitacyjne, które są aktualnie jednym z głównych przedmiotów badań. Jednak aby w pełni wykorzystać potencjał pulsarów jako kosmicznych zegarów, potrzebne są ekstremalnie precyzyjne pomiary, z których zapewne najważniejszy jest czas przybycia każdego impulsu, tzw. TOA (time of arrival). Pojedyncze impulsy pulsarów nie są jednak identyczne; różnią się kształtem, jasnością, szerokością itp. Dotychczas astronomowie uśredniali więc tysiące pojedynczych impulsów, by uzyskać czysty sygnał i dopasować go do wzorca. To podejście … The post Nowe unikatowe wykorzystanie AI do precyzyjnych pomiarów pulsarów first appeared on AstroNET – Polski Portal Astronomiczny.
Pulsary, wirujące gwiazdy neutronowe emitujące falowe elektromagnetyczne z zegarmistrzowską precyzją, od lat są obiektem intensywnych badań. Ich regularne sygnały pozwalają nie tylko testować ogólną teorię względności, ale również polować na fale grawitacyjne, które są aktualnie jednym z głównych przedmiotów badań. Jednak aby w pełni wykorzystać potencjał pulsarów jako kosmicznych zegarów, potrzebne są ekstremalnie precyzyjne pomiary, z których zapewne najważniejszy jest czas przybycia każdego impulsu, tzw. TOA (time of arrival).
Pojedyncze impulsy pulsarów nie są jednak identyczne; różnią się kształtem, jasnością, szerokością itp. Dotychczas astronomowie uśredniali więc tysiące pojedynczych impulsów, by uzyskać czysty sygnał i dopasować go do wzorca. To podejście działa, ale ma swoje ograniczenia. Gdy bowiem uśrednia się wiele z nich, zmienność ta powoduje tzw. szum drganiowy (jitter noise), który często zwiększa błąd pomiaru TOA do poziomów, które dyskwalifikują przydatność danego pomiaru. Zespół badaczy z Rochester Institute of Technology i West Virginia University, kierowany przez Sofię V. Sosa Fiscella, zaproponował jednak innowacyjne wykorzystanie algorytmów uczenia maszynowego do rozwiązania tego problemu.
Kilkaset pulsów pulsara J2145−0750 w paśmie 820 MHz zmapowanych w trójwymiarowej przestrzeni, gdzie osie to amplitudę, szerokość i energia. Adnotacja: jednostki są arbitralne, tj. nie mają konkretnej wartości fizycznej i służą w tym przypadku jedynie jako narzędzie porównawcze.
Zamiast bezkrytycznego uśredniania wszystkich impulsów, badacze przeprowadzają indywidualną analizę każdego z nich, klasyfikując je na podstawie wspólnych cech, takich jak amplituda, szerokość i energia. Do tego podziału wykorzystano algorytmy klastrowania nienadzorowanego takie jak K-means oraz OPTICS, które automatycznie grupują dane o podobnych cechach bez wcześniejszej wiedzy o ich kategoriach. W ten sposób udało się wyodrębnić impulsy o podobnej morfologii i stworzyć dla nich indywidualne wzorce. Każda grupa została następnie osobno dopasowana do wzorca, a otrzymane czasy przybycia zestawiono i uśredniono z odpowiednimi wagami.
Testy przeprowadzono na jednym z najlepiej znanych i jasnych pulsarów – PSR J2145−0750 – obserwowanym przez teleskop Green Bank. Dzięki AI uzyskano TOA z błędem zaledwie 0,057 mikrosekundy, co stanowi 14% poprawy względem klasycznej metody. W przypadku obserwacji z większym zakłóceniem radiowym (paśmie L, czyli w zakresie częstotliwości około 1,4 GHz, które jest bardziej podatne na owe nieprawidłowości), poprawa była jeszcze bardziej znacząca – aż 37%.
Nowa metoda okazała się wyjątkowo skuteczna w przypadku jasnych, dobrze widocznych pulsarów, ale również tam, gdzie większość impulsów ma niską jakość. Jednak jej skuteczność spada, gdy dane są zbyt „zaszumione”, tj. w skrajnych przypadkach – w takowych AI poprawna klasyfikacja impulsów sprawia trudność. Technika ta otwiera drogę do bardziej precyzyjnego wykorzystania pulsarów w detekcji fal grawitacyjnych, szczególnie tych o bardzo niskich częstotliwościach, na które poluje m.in. znany projekt NANOGrav. Dzięki AI być może uda się także poprawić pomiary dla słabszych pulsarów, które do tej pory nie były wystarczająco dokładne.
The post Nowe unikatowe wykorzystanie AI do precyzyjnych pomiarów pulsarów first appeared on AstroNET – Polski Portal Astronomiczny.
