Солнце, каким его не видели никогда: российские ученые научили ИИ понимать язык нашего светила

При помощи ИИ возможны предсказания солнечной активности и солнечных вспышек.

Фото: Shutterstock.

Российские ученые в сотрудничестве с иностранными коллегами сделали серьезный шаг, позволяющий приоткрыть тайны нашей «дневной звезды», Солнца. С помощью ИИ они смогли унифицировать, привести к общему знаменателю наблюдения Солнца, сделанные разными инструментами и в разных условиях. Это имеет колоссальное значение, например, для исполнения многовековой мечты ученых: предсказания солнечной активности и солнечных вспышек.

Современные наблюдения Солнца — это золотой век космической гелиофизики. Технологии стремительно развиваются: новые данные обладают беспрецедентным качеством, а их объединение позволяет глубже понять природу солнечной активности. Однако работа с разными инструментами требует тщательной калибровки — именно на этом сосредоточены усилия ученых.

Как удалось научить ИИ понимать язык дневного светила, KP.RU рассказала астрофизик Татьяна Подладчикова, кандидат технических наук, доцент, директор Центра системного проектирования Сколтеха.

ОБМАНЧИВЫЕ ПЯТНА, СЛЕПЫЕ ТЕЛЕСКОПЫ

Пятна на Солнце невооруженным глазом заметили еще в древности. Видимо, это были очень крупные пятна, гадают исследователи. А может, воздух был замутнен, например, лесными пожарами, и люди просто обратили внимание на бледный солнечный диск и пятна на нем?

Этот пример показывает сложности интерпретации исторических наблюдений Солнца. Например, если предположить, что в древности наблюдались аномально крупные пятна, а в тот же период происходили лесные пожары, может возникнуть соблазн связать эти события. Однако современная наука не подтверждает прямого влияния солнечных пятен на климатические аномалии или пожары — такие выводы требуют гораздо более строгого анализа.

С появлением телескопов в XVII-XIX веках методы наблюдений стали активно развиваться. Хотя инструменты того времени отличаются от современных стандартов, именно эти передовые исследования заложили фундамент современной гелиофизики. Каждый этап в истории астрономии был важным шагом в понимании Солнца.

Тем не менее, мы изучаем старинные рисунки, не зная, как их сопоставить с нашим современным опытом. Вот астроном XVIII века рисует пятно. С чем сравнить его громадный, но, по нашим меркам, «слепой» телескоп: с биноклем? С подзорной трубой? Или приличным современным любительским прибором?

В наши дни Солнце наблюдают космические обсерватории, наземные приборы многих типов, и «зоопарк»-то на самом деле менее разнообразным не стал. Просто сегодня у нас есть «техпаспорт» на любой применяемый инструмент. И мы можем сравнивать, что тут, что там. К сожалению, все равно на глаз.

А что, если ИИ поможет проанализировать «тонны» наблюдательных данных, соединит их, и покажет «истинное Солнце», не зависящее от восприятия конкретного телескопа? ИИ в самом деле помог.

ЭПИЧЕСКАЯ БИТВА РОБОТОВ

Ключом к решению задачи оказалась идея соперничества двух ИИ. Один искусственно ухудшает картинку, другой восстанавливает ее до некоего эталонного уровня. На выходе – магия: старые, полные шума данные превращаются вдруг в четкое изображение. Причем совершенно достоверное: «вытянуть информацию из шумов» - не значит «домыслить детали».

Первый вопрос: а как учили? Наверное, взяли одновременные данные двух разных телескопов, и «натаскивали» нейросети: вот посмотри, здесь такое – а тут такое. Оказалось, не так.

- Авторы разработали метод, позволяющий обучать ИИ на разнородных данных без строгого временного или пространственного совпадения между наблюдениями. С помощью генеративных состязательных сетей (GAN) изображения преобразовывались между различными инструментами, что открыло возможность объединить 24 года наблюдений, - говорит Татьяна Подладчикова.

Машине все равно понадобился «Розеттский камень», или, говоря проще, «словарь», чтобы сопоставлять информацию и, например, учитывать разницу, вносимую атмосферой, с картинкой, которую дает космический телескоп в безвоздушном пространстве. В качестве эталонного набора данных выступили ряды наблюдений, полученных лучшими приборами, в основном космическими.

- Такой подход позволил создать модель, обученную на реальных наблюдениях, без необходимости точного совпадения по времени или координатам между различными источниками, - говорит Татьяна Подладчикова.

А БЫЛ ЛИ ЛЕДНИКОВЫЙ ПЕРИОД?

Современные цифровые наблюдения позволили получить детальную картину солнечной активности за последние 24 года — это полные два 11-летних цикла. Что для жизни дневной звезды – миг. А как быть со старыми наблюдениями, зарисовками? Всегда кажется, что вот тогда-то в природе творилось что-то интересное. Не то, что сейчас.

Хотя исследование не рассматривает обработку визуальных наблюдений XVIII–XIX веков, теоретически научить его рассматривать старые рисунки можно, говорит Татьяна Подладчикова.

- Однако есть серьёзные ограничения: модель обучена на цифровых данных современных инструментов, а старые рисунки не обладают необходимой стандартизацией и точностью. Чтобы методика работала, потребуются значительные усилия по цифровой обработке, калибровке и созданию обучающей выборки, - уточняет она.

Разработанный алгоритм представляет собой значительный шаг в методах анализа солнечной активности, обеспечивая новые возможности для изучения как текущих, так и исторических данных. Метод ориентирован на обработку и систематизацию наблюдательных данных, открывая перспективы для более глубокого понимания известных и поиска новых закономерностей.

- Улучшенное качество данных может способствовать обнаружению ранее не замеченных паттернов в будущих исследованиях. Исследование наводит порядок в языке данных, превращая шумные и разрозненные данные в согласованную и интерпретируемую картину. Это как почистить запылённый телескоп — детали те же, но теперь их можно увидеть по-новому, что может способствовать обнаружению ранее незамеченных закономерностей в будущих исследованиях, - говорит Татьяна Подладчикова.

Сегодня астрофизики ориентируются на 11-летний цикл солнечной активности, отражающий средний период роста и спада солнечных пятен. При этом магнитные полюса Солнца меняются местами каждые 11 лет, в конце каждого такого цикла. Однако полный магнитный цикл Солнца составляет около 22 лет, поскольку только за это время полярность магнитного поля возвращается к исходному состоянию. Исторические периоды, подобные Маундеровскому минимуму (1645-1715 гг.), когда пятен наблюдалось крайне мало, остаются предметом исследований, но их связь с климатическими изменениями неоднозначна.

Исторические данные до эпохи космических наблюдений методика пока не затрагивает, напоминает Татьяна Подладчикова, но вопрос-то стоит, он волнует всех, и пересмотр устоявшихся парадигм, например, о том же Малом ледниковом периоде, теоретически возможен:

- Связь солнечной активности с климатом однозначно не доказана. Солнце светит постоянно, обеспечивая Землю стабильным притоком энергии и тепла, независимо от фазы солнечного цикла, - говорит Татьяна Подладчикова.

Климат в системе Солнце — Земля определяется общим количеством энергии, которое Земля получает от Солнца за длительные периоды, солнечной постоянной, а она почти не меняется, как и положено постоянной.

- Хотя вспышки на Солнце могут кратковременно увеличивать поток излучения, светимость Солнца меняется не более чем на 1%, что оказывает незначительное влияние на общий климат. Именно солнечная постоянная, составляющая 1367 ватт на квадратный метр, обеспечивает стабильность, необходимую для поддержания климата на Земле. Сильные изменения в солнечной активности могли бы привести к катастрофическим климатическим изменениям, но, к счастью, таких изменений в солнечной активности не наблюдается, - говорит астрофизик.

СОЛНЦЕ В САМОМ ДЕЛЕ РАЗБУШЕВАЛОСЬ

Хорошо! Не нужны нам пока исторические дебри. Разобраться бы с тем, что сейчас. Вот нынешний цикл максимально активного Солнца – он экстремальный, или так себе? В блогах вроде пишут, ужас! В самом деле, полярные сияния в Средней полосе через день да каждый день, когда такое видано. А астрономы говорят: да так себе цикл, были и сильнее.

Что думает ИИ? А что тут спорить, нынешний максимум явно сильнее предыдущего, говорит Татьяна Подладчикова:

- Дебаты относительно силы нынешнего цикла сняты благодаря наблюдениям за солнечными пятнами, которые подтверждают повышение активности по сравнению с предыдущим циклом.

А сможет ли ИИ предсказать солнечную вспышку? Сами спрашиваем, сами замираем: неужели сможет. И надежда есть!

- Предложенная методика — это не оракул, но она создает фундамент, на котором может быть построен оракул. Она не предсказывает солнечные вспышки напрямую, но устраняет одно из главных препятствий для точного моделирования — фрагментарность и несопоставимость данных. Преобразуя наблюдения из разных инструментов в единый, однородный формат, она делает возможным обучение ИИ на гораздо более богатом и согласованном массиве данных. А значит — приближает нас к реализации давней мечты: научиться предвидеть бурный характер Солнца заранее и с уверенностью, - говорит астрофизик.

Что ж, человек предсказуемо применил свое любимое детище, ИИ, к самому важному, к тому, благодаря чему мы существуем – к Солнцу. Уже сегодня ИИ-алгоритмы помогают анализировать данные и улучшать прогнозы космической погоды. В частности, существуют работающие системы прогнозирования геомагнитных бурь, и новые методы машинного обучения открывают перспективы для дальнейшего прогресса в этой области. Российские ученые вносят значительный вклад в эти исследования, демонстрируя, что ИИ — не повод для беспокойства, а мощный инструмент, который служит человечеству, помогая предсказывать и понимать солнечную активность.

ВОПРОС-РЕБРОМ

Как складывается международное сотрудничество в 2025 году?

Вместе с российскими учеными в исследовании принимали участие коллеги из Грацского университета и Высокогорной обсерватории Национального центра атмосферных исследований США (HAO NSF NCAR). Как работалось с иностранными специалистами?

- Плодотворное сотрудничество между людьми было и будет всегда! – говорит Татьяна Подладчикова, - Особенно в космических исследованиях, где крупные задачи, стоящие перед человечеством, невозможно решить в одиночку. Только объединяя усилия, ученые разных стран могут достичь невероятных открытий, которые обогатят наш мир. В физике все системы делятся на консервативные и неконсервативные. В закрытых, консервативных системах хаос и неопределенность всегда стремятся к максимуму. В открытых же системах, взаимодействующих с внешними, энтропия минимальна. Здесь царит самоорганизация, гармония и симметрия. Эти системы создают удивительные и полезные структуры, которые становятся источниками вдохновения для новых идей и проектов. Ярким примером является язык программирования Python. С момента появления языков с открытым исходным кодом, таких как Python, их развитие стало стремительным. Люди по всему миру берутся за инициативу, совершенствуя и развивая эти технологии. Давайте продолжать взаимодействовать, ведь только совместными усилиями мы можем двигаться вперед и создавать будущее.

Магнитные бури с 28 апреля по 4 мая 2025 года: Неприятный сюрприз на майские праздники

СЛУШАЙТЕ ТАКЖЕ

Жизнь в космосе: физик рассказал, как зарождается жизнь во Вселенной, как космические льды можно создать в земных условиях и как звучат кометы (подробнее)