從手繪太陽黑子用人工智能深度學習還原當時情況進行比較

幾個世紀前，太陽到底是什麼樣子？如果刻卜勒（Kepler）和伽利略時代的天文學家擁有可跨電磁頻譜監測太陽的現代技術，他們會看到什麼呢？

多得現代人工智能，也許有一種方法可以使人們回顧過去的那段日子，太陽實際上處於什麼狀態。2021年2月發表的一項最新研究，名為「利用深度學習從1612年伽利略太陽黑子的繪圖生成現代衛星數據」，使用一組創新推論來比較當時的黑子繪圖與地面和近距離現代太陽衛星觀測結果。這項研究是由韓國慶熙大學的李慶林（Harim Lee 譯音）領導。

太陽黑子記錄代表現有最長的天文數據之一，它可以追溯到公元1128年的中國觀測。在望遠鏡發明之前，在日出或日落時有霧霾的情況，偶爾會看到並記錄著一些非常大，肉眼可見的太陽黑子。

伽利略精心記錄了太陽黑子的活動，從1612年夏天開始他繪畫了幾個月以來所看到的東西。他用投影的方法，將日光投射入黑暗的房間。

當時伽利略完全不知道黑子是什麼。今天，我們知道太陽光球中的這些磁通量區域比周圍的區域溫度低，在刺眼陽光下，黑子的表面顯得黑色。此外，太陽黑子群和太陽對極性不僅表示它們與特定的十一年太陽週期的關聯，而且它們在太陽表面的緯度中的出現經歷了一個週期，從早期的高緯度開始，後期移到太陽赤道出現。太陽還有每十一年周期反轉一次極性，而兩個週期共二十二年，才等於一個真正的週期。

如今，諸如美國太空總暑的太陽動力學天文台（Solar Dynamic Observatory，簡稱 SDO）和歐洲太空總署的合作的太陽和太陽風層探測器（Solar Heliospheric Observatory，簡稱 SOHO）之類的任務，會全天候監控整個光譜中的太陽。使我們對太陽的狀況有了更全面的了解。由於執行這些任務，我們現在知道黑子的活動與其它現象密切相關，其中包括在光層中看到的米粒組織與在高層太陽色層中看到的針狀體（Spicule），日珥和日冕物質拋射。

但是，在伽利略時代，這些看不見的事件實際上是什麼樣的呢？研究人員意識到，我們實際上有一個現代的模擬方法，可以彌補記錄太陽活動的新舊方法之間的差距。

自1917年以來，在美國加州南部的威爾遜山天文台，熟練的觀察員每天晴朗的日子都在繪畫出太陽的輪廓。這是在天文台四十五米高的太陽塔完成，就像在伽利略時代一樣，繪圖是通過將太陽投射到黑暗房間中完成。

研究人員意識到，這些繪圖現在可以與現代光譜同時進行，從而為人工智能程序提供了事實檢查的依據。利用2011年至2015年手繪的繪圖與太陽動力學天文台數據，研究人員能夠教導該程序以高度存真度複製不同光譜圖。最終，深度學習模型使用1,046對黑子繪圖與太陽動力學天文台圖像比較。

李慶林表示，最困難的部分是完善黑子繪圖的數據。我們只希望將黑子資料輸入人工智能模型，用於培訓和測試。但是，原來威爾遜山天文台的黑子圖不僅包含黑子，而且還包含許多其它資料，例如觀測時間和日期以及黑子的位置。我們只能手動刪除原始圖片中的所有文字，只留下了黑子。

歷史黑子圖是了解過去太陽活動的非常重要的資源。我們的結果顯示，用人工智能生成的磁圖雙極結構與原始的雙極結構一致，並且它們的磁通量與原始的一致。

這項技術正好在現代太陽活動的重要時刻，因為太陽第二十五個週期在2021年才真正開始，它會否像之前第二十四個週期活躍？展望未來，如果我們停止使用任何當前的太陽監測衛星，也可以使用這種方法從簡單的黑子繪圖中推斷出太陽活動的模樣。

【圖：韓國慶熙大學；文：節譯自今日宇宙網頁】研究全文刊登在2021年2月5日出版的《天體物理學報》