Космос выглядел бы намного лучше, если бы атмосфера Земли не бомбардировала его все время.

Даже изображения, полученные лучшими в мире наземными телескопами, размыты из-за движущихся воздушных карманов в атмосфере. На первый взгляд безобидное, это размытие затемняет формы объектов на астрономических изображениях, что иногда приводит к заполненным ошибками физическим измерениям, которые необходимы для понимания природы нашей Вселенной.

Теперь исследователи из Северо-Западного университета и Университета Цинхуа в Пекине представили новую стратегию решения этой проблемы. Команда адаптировала известный алгоритм компьютерного зрения, используемый для повышения резкости фотографий, и впервые применила его к астрономическим изображениям с наземных телескопов. Исследователи также обучили алгоритм искусственного интеллекта (ИИ) на данных, смоделированных в соответствии с параметрами изображения обсерватории Веры С. Рубин, поэтому, когда обсерватория откроется в следующем году, инструмент будет мгновенно совместим.

Хотя астрофизики уже используют технологии для устранения размытия, адаптированный алгоритм на основе ИИ работает быстрее и создает более реалистичные изображения, чем современные технологии. Полученные изображения не размыты и более реалистичны. Они также прекрасны, хотя цель технологии не в этом.

«Цель фотографии часто состоит в том, чтобы получить красивое, красивое изображение», — сказала Эмма Александер из Northwestern, старший автор исследования. «Но астрономические изображения используются для науки. Правильно очищая изображения, мы можем получить более точные данные. Алгоритм вычисляет, что атмосфера удаляется, что позволяет физикам получать более точные научные измерения. выглядеть лучше».

Исследование будет опубликовано 30 марта в Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества.

Александр — доцент компьютерных наук в Инженерной школе Маккормика на Северо-Западе, где она руководит лабораторией Bio Inspired Vision Lab. Она руководила новым исследованием вместе с Тианао Ли, студенткой факультета электротехники Университета Цинхуа и стажером-исследователем в лаборатории Александра.

Когда свет исходит от далеких звезд, планет и галактик, он проходит через атмосферу Земли, прежде чем попадает в наши глаза. Наша атмосфера не только блокирует определенные длины волн света, но и искажает свет, достигающий Земли. Даже ясное ночное небо все еще содержит движущийся воздух, который влияет на проходящий через него свет. Вот почему звезды мерцают и почему лучшие наземные телескопы расположены на больших высотах, где атмосфера самая разреженная.

«Это как смотреть со дна бассейна», — сказал Александр. «Вода расталкивает свет и искажает его. Атмосфера, конечно, гораздо менее плотная, но концепция похожа».

Размытие становится проблемой, когда астрофизики анализируют изображения для извлечения космологических данных. Изучая видимые формы галактик, ученые могут обнаруживать гравитационные эффекты крупномасштабных космологических структур, которые искривляют свет на пути к нашей планете. Из-за этого эллиптическая галактика может казаться более округлой или более вытянутой, чем она есть на самом деле. Но атмосферное размытие размывает изображение таким образом, что форма галактики искажается. Удаление размытия позволяет ученым собирать точные данные о форме.

«Небольшие различия в форме могут рассказать нам о гравитации во Вселенной», — сказал Александер. «Эти различия уже трудно обнаружить. Если вы посмотрите на изображение с наземного телескопа, форма может быть искажена. Трудно понять, связано ли это с гравитационным эффектом или атмосферой».

Чтобы решить эту проблему, Александр и Ли объединили алгоритм оптимизации с сетью глубокого обучения, обученной на астрономических изображениях. Среди обучающих изображений команда включила смоделированные данные, которые соответствуют ожидаемым параметрам изображения обсерватории Рубин. Получившийся инструмент выдавал изображения с ошибкой на 38,6% меньше по сравнению с классическими методами удаления размытия и на 7,4% меньше ошибок по сравнению с современными методами.

Когда обсерватория Рубина официально откроется в следующем году, ее телескопы начнут десятилетнее глубокое исследование огромной части ночного неба. Поскольку исследователи натренировали новый инструмент на данных, специально предназначенных для моделирования предстоящих изображений Рубина, он сможет помочь проанализировать долгожданные данные опроса.

Для астрономов, заинтересованных в использовании этого инструмента, в Интернете доступен удобный код с открытым исходным кодом и сопутствующие учебные пособия.

«Сейчас мы передаем этот инструмент в руки астрономов», — сказал Александр. «Мы думаем, что это может быть ценным ресурсом для обзора неба, чтобы получить максимально реалистичные данные».