हमने आकाशगंगाओं के समूहों को पहचानने के लिए एआई को कैसे सिखाया

हाल ही में, दोस्तों-खगोलविदों की एक टीम के साथ, मैंने एक परियोजना पूरी की जिसका लक्ष्य बाहरी अंतरिक्ष के कपड़े द्वारा छिपी दूर की आकाशगंगाओं और उनके समूहों की खोज करना था। अब मैं आपके साथ साझा करूंगा कि इस कठिन काम के परिणामस्वरूप हमने क्या किया।

डेटा विश्लेषण

आकाशगंगाएँ और उनके समूह ब्रह्मांड के दृश्य भाग के बड़े पैमाने पर पिंड हैं। उनके लिए समर्पित अनुसंधान के परिणाम विभिन्न बड़े पैमाने पर संरचनाओं के बारे में ज्ञान के क्षेत्र का विस्तार करने के लिए बहुमूल्य जानकारी प्रदान करते हैं और हमें ब्रह्मांड के आधुनिक रूप के गठन की सुविधाओं की पहचान करने की अनुमति देते हैं। मैं निम्नलिखित लेखों में अधिक विस्तार से इसका वर्णन करूंगा (यदि आप रुचि रखते हैं)।

टेलीस्कोप से आने वाली सूचनाओं की विशाल मात्रा का विश्लेषण करने के लिए, यहां तक ​​कि आकाशगंगाओं की उपस्थिति के लिए, एक स्वचालित तंत्र (या अधिक खगोलविदों) की आवश्यकता होती है। आप एक प्रोग्राम लिख सकते हैं जो इस कार्य को करता है। लेकिन अंतरिक्ष में अन्य वस्तुओं से आकाशगंगाओं और उनके समूहों को भेद करने के लिए उसे कैसे सिखाना है?

हम भाग्यशाली थे, अंतरिक्ष में "जादू" के लिए जगह थी, और विशेष रूप से सूर्यदेव-ज़ेल्डोविच के प्रभाव के लिए, पिछली शताब्दी में वापस खोजा गया था।

प्रभाव इस प्रकार है: प्रारंभ में, सीएमबी फोटोन एक यूकेलिप्टस शाखा पर सुस्ती की तरह ऊर्जावान नहीं होते हैं, लेकिन उन इलेक्ट्रॉनों के साथ बातचीत करने के बाद जिनमें गैस के अंदर बड़ी मात्रा में ऊर्जा होती है, उनकी ऊर्जा क्लस्टर में गैस के तापमान के कारण बढ़ जाती है, जो एडियाबेटिक संपीड़न या बलों की कार्रवाई के तहत गर्म होती है। गुरुत्वाकर्षण, या अंतरिक्षीय पदार्थों के आकाशगंगाओं और बादलों की टक्कर में।


अंजीर। 1. सूर्यदेव का प्रभाव - ज़ेल्डोविच।

ऊर्जा में वृद्धि से, फोटॉन अपनी आवृत्ति को बढ़ाता है और मिलीमीटर रेंज से सबमिलिमिटर रेंज में चला जाता है। इस समय, आकाशगंगा समूहों की दिशा में, मिलीमीटर रेंज में दिए गए तापमान के साथ CMB के फोटॉन पर्याप्त नहीं होते हैं, इसलिए, आकाशगंगा समूहों की दिशा में औसत पृष्ठभूमि के संबंध में एक डुबकी होती है। सबमिलिमिटर रेंज में, इसके विपरीत, फोटॉन और एक स्थानीय चोटी की अधिकता होती है।

यह निम्नानुसार प्रकट होता है: कॉस्मिक माइक्रोवेव बैकग्राउंड का प्रभाव (यानी, समान रूप से ब्रह्माण्ड को थर्मल विकिरण से भरना, इसके बाद CMB के रूप में जाना जाता है), आकाशगंगा समूहों की रेखा के साथ मनाया जाता है, कम आवृत्तियों पर कमजोर और उच्च आवृत्तियों पर तेज दिखता है।

इस प्रकार, प्रभाव के प्रभाव के तहत, पृष्ठभूमि थ्रेसहोल्ड (छवि 2, बाईं ओर की छवि) के नीचे आवृत्तियों के लिए एक नकारात्मक संकेत में बदल जाती है और शून्य आवृत्ति 217 GHz (छवि 2, छवि पर दाईं ओर) सिग्नल के साथ दहलीज के ऊपर आवृत्तियों के लिए एक सकारात्मक संकेत है। प्रभाव की यह विशेषता खगोलविदों को स्पेक्ट्रम के माइक्रोवेव क्षेत्र में आकाशगंगाओं और सुपरक्लस्टर्स के समूहों को खोजने की अनुमति देती है।
क्या जादू नहीं है?


अंजीर। 2. आकाशगंगा समूहों के दृश्य गुणों पर सूर्यदेव-ज़ेल्डोविच प्रभाव

प्रभाव के अस्तित्व के लिए प्रायोगिक साक्ष्य हाल ही में प्राप्त हुए थे जब खगोल भौतिकीविदों ने प्लैंक टेलीस्कोप का उपयोग करते हुए विद्युत चुम्बकीय स्पेक्ट्रम का अध्ययन किया था और इस तथ्य पर ध्यान आकर्षित किया था कि कुछ आवृत्तियों पर आकाश का मनाया क्षेत्र "खाली" प्रतीत होता है, और दूसरों पर आकाशगंगाओं के पूरे समूह दिखाई दे रहे हैं।


अंजीर। 3. यह पहला सुपरक्लस्टर है जिसे सूर्यदेव-ज़ेल्डोविच प्रभाव का उपयोग करके खोजा गया था। बाईं ओर प्लैंक द्वारा प्राप्त छवि है। सही पैनल एक्सएमएम-न्यूटन ऑब्जर्वेटरी का उपयोग करके प्राप्त छवि दिखाता है।

यह सब बहुत अच्छा है, लेकिन हमने क्या किया है?

आप जानते हैं, परिस्थितियां अक्सर तब उत्पन्न होती हैं जब आप कुछ करना चाहते हैं, क्योंकि आप इसे पसंद करते हैं, हालांकि आप यह मानते हैं कि भविष्य में इसकी आवश्यकता नहीं होगी। यही स्थिति थी।

जब काम के मुख्य भाग के लिए पाठ लिखा गया था और परिणामों को संसाधित करने के लिए बहुत कम समय था, और समय सीमा एक सप्ताह से थोड़ी कम थी, मैं मॉनिटर के सामने बैठ गया और पता नहीं था कि क्या करना है। मैं कभी-कभी ऐसी स्थितियों को भी पसंद करता हूं, क्योंकि केवल उनमें मुझे इष्टतम रणनीति की समस्या को हल करना है। मैं समझ गया कि मैं भौतिक रूप से बड़ी मात्रा में डेटा (लगभग 10,000 छवियां) नहीं पहचान सका हूं, और मेरे कंधों के पीछे केवल तीन पाठ्यक्रम पास हुए, जिनमें से एक ने मुझे बाहर निकालने में मदद की। यह पाठ्यक्रम Google के दृढ़ तंत्रिका नेटवर्क, जो कि एक बार "आत्म-विकास के लिए" (लेख के अंत में लिंक) के माध्यम से गया था, के साथ काम करने के लिए समर्पित है।

एक तंत्रिका नेटवर्क के साथ काम करने के लिए, एनाकोंडा 2 सॉफ्टवेयर, पायथन 2.7 प्रोग्रामिंग भाषा, मशीन सीखने और बड़े डेटा के साथ काम करने के लिए केरस लाइब्रेरी और संख्यात्मक डेटा के साथ काम करने के लिए थीनो का उपयोग किया गया था।

बेशक, उन लोगों की सलाह के बिना जो दो साल से मशीन सीखने में लगे हुए हैं, यह नहीं कर सका। इसलिए, चार दिनों के बाद, हमारे पास गहन सीखने वाले तंत्रिका नेटवर्क के साथ काम करने का कार्यक्रम था।

एक नेटवर्क में दृढ़ परतों (सीएल) और संघ परतों (पीएल) के अनुक्रम होते हैं। संकेंद्रित परतें आपको इनपुट छवियों से कई फ़ीचर कार्ड निकालने की अनुमति देती हैं, और यूनियन लेयर्स फ़ंक्शन कार्ड पर दिए गए सदस्यता को पूरा करते हैं।

परतों के ये क्रम सुविधा निष्कर्षण कदम के अनुरूप हैं। छवियों को वर्गीकृत करने के लिए, आउटपुट स्तर एक पूरी तरह से जुड़ा हुआ परत है जो कि वर्गों की संख्या के बराबर इकाइयों की संख्या है। नेटवर्क को बुनियादी ढांचे के अनुसार दो चरणों के दृढ़ संकल्प (एक विशेष प्रकार के अभिन्न परिवर्तन) और क्लासिफायर से जुड़े सबसम्प्लिंग के साथ बनाया गया है, जिसे आकृति में दिखाया गया है।


अंजीर। 4. तंत्रिका नेटवर्क वास्तुकला

शिक्षक के साथ नेटवर्क प्रशिक्षण हुआ। नेटवर्क प्रशिक्षण के लिए फोटो कैटलॉग और आकाशगंगा समूहों की आगे की पहचान को जीएलईएसपी का उपयोग करके संकलित किया गया है, जो लौकिक माइक्रोवेव पृष्ठभूमि के नक्शे के लिए एक पिक्सेलकरण योजना है, जो प्रदर्शन का एक सख्त ऑर्थोगोनल अपघटन बनाता है। एक तंत्रिका नेटवर्क प्रशिक्षण कैटलॉग बनाने के लिए, प्लांक टेलीस्कोप के मिशन के डेटा का उपयोग किया गया था, जिसका उद्देश्य सूर्यदेव-ज़ेल्डोविच प्रभाव का उपयोग करके आकाशगंगाओं और उनके समूहों की खोज करना था। मिशन डेटा 100, 143, 217, 353 और 545 गीगाहर्ट्ज़ की आवृत्तियों पर ली गई 6,135 छवियों के रूप में प्रस्तुत किया गया है।

नेटवर्क के कुछ परिणाम चित्र 5 में प्रस्तुत किए गए हैं। हमें दो गुणांक (0.35 और 0.87) मिले हैं। और अगर गुणांक 0.5 से अधिक है, तो आकाशगंगा क्लस्टर छवि पर है।
और, लो और निहारना, हम एक क्लस्टर मिला!


अंजीर। 5. नेटवर्क प्रदर्शन

कार्यक्रम को आकाश के विभिन्न हिस्सों की छवियों की एक सूची में लागू किया गया था और वर्तमान में आकाशगंगाओं और उनके समूहों की उपस्थिति के लिए उनका विश्लेषण कर रहा है।

भविष्य में, हम ब्रह्मांड में बड़े पैमाने पर वस्तुओं के दृश्य गुणों पर Sunyaev-Zeldovich प्रभाव के प्रभाव के सिद्धांत का अधिक विस्तार से अध्ययन करेंगे और अंतरिक्ष वस्तुओं के अधिक विस्तृत अध्ययन के लिए एक सार्वभौमिक विश्लेषणात्मक एल्गोरिथ्म बनाएंगे।

मुझे वास्तव में उम्मीद है कि यह छोटा लेख आपको अंतरिक्ष की अद्भुत दुनिया में कम से कम एक मिनट तक ले जाएगा। आपको निम्नलिखित लेखों में मिलते हैं!

उपयोगी लिंक:

1. इन्सेप्शन कोर्स
2. O.V. वेरखोदानोव, N.V. वर्खोदानोवा, O.S. उलखोविच एट अल।, एस्ट्रोफिजिकल बुलेटिन, खंड 73, 1, 2018
3. ओस्ट्रिकर, जेरेमिया पी।, एथन टी।, प्रकृति, 322 (6082): 804, 1986
4. पासमूर एस।, क्रेस सी।, एमएनआरएएस, 397 (1), 2009
5. प्लांक सहयोग, खगोल। एस्ट्रोफिज़। 571, ए 29, 2014