Моделювання магнітного поля Сонця за допомогою ШІ: новий рівень точності прогнозів космічної погоди

Науковці з Інституту астрономії Гавайського університету (IfA) розробили інноваційну методологію, що використовує штучний інтелект для створення високодеталізованих тривимірних карт магнітного поля нашого Сонця. Ця передова розробка має на меті надати потужну підтримку науковим дослідженням, зокрема тим, що спираються на дані, отримані з телескопа Деніела К. Іноуе (DKIST). Важливі результати цієї роботи були нещодавно опубліковані у престижному науковому виданні «The Astrophysical Journal».

Кай Янг, провідний науковий співробітник та докторант IfA, наголосив на критичній значущості цього прориву. Особливо актуальним він є зараз, адже Сонце продовжує залишатися потужним джерелом космічної погоди, здатної спричинити серйозні збої у функціонуванні земних технологічних систем. Магнітне поле Сонця виступає головним рушієм усіх вибухових процесів, зокрема сонячних спалахів та корональних викидів маси (КВМ). Ці явища становлять пряму загрозу для супутникових угруповань, енергетичних мереж та глобальних систем зв'язку.

Традиційні методи вимірювання сонячного магнітного поля завжди мали свої «підводні камені». Серед них — значна невизначеність щодо точного напрямку нахилу поля (чи воно спрямоване до нас, чи від нас) та складнощі у визначенні справжньої висоти магнітних структур. Ці фундаментальні обмеження суттєво ускладнювали побудову точних тривимірних моделей, які є необхідними для надійного прогнозування космічних подій.

Щоб подолати ці методологічні бар'єри, команда дослідників створила систему машинного навчання, яку назвали «Декодер роздільної здатності Халеакала» (Haleakalā Disambiguation Decoder). Цей алгоритм інтегрує емпіричні спостережні дані з фундаментальним фізичним принципом: магнітні поля завжди формують замкнуті, нерозривні петлі. Завдяки цьому фізичному обмеженню, система ШІ отримує змогу усувати 180-градусну азимутальну неоднозначність у визначенні орієнтації поля, а також із високою точністю оцінювати реальну висоту магнітних шарів.

Ефективність розробленого методу була всебічно підтверджена на складних комп'ютерних моделях, які охоплюють як спокійні ділянки, так і активні зони та сонячні плями. Покращена здатність штучного інтелекту інтерпретувати дані є надзвичайно цінною у світлі отримання зображень надвисокої роздільної здатності від телескопа DKIST, розташованого на вершині Мауна-Кеа на Гаваях. Застосування «Декодера роздільної здатності Халеакала» дозволяє вченим формувати більш достовірну тривимірну карту сонячної магнітосфери. Це, своєю чергою, допомагає виявляти векторні електричні струми в сонячній атмосфері, що дає глибше розуміння механізмів, які ініціюють потужні сонячні виверження.

Підвищення якості прогнозів космічної погоди має пряме практичне значення для людства. Поточний 25-й Сонячний цикл, який стартував у грудні 2019 року, за переглянутими прогнозами NOAA, має досягти піку своєї активності десь між листопадом 2024 та березнем 2026 року. Покращене розуміння тригерів сонячних подій, досягнуте завдяки цій технології ШІ, є життєво необхідним для завчасного попередження та ефективного захисту критичної інфраструктури. Масштаб проведеної обчислювальної роботи вражає: проєкт SPIn4D включає 120 терабайт симульованих спостережень, створених завдяки використанню понад 10 мільйонів годин процесорного часу на суперкомп'ютері NSF Cheyenne.