Недостающая карта неба08.10.2026 03:00

Здесь Брайс Менар, астрофизик из Университета Джонса Хопкинса и исследователь Anthropic, рассказывает, как вместе с Claude Science создал первую полную карту неба в ультрафиолетовом диапазоне. Эта карта станет ценным учебным пособием: она позволит студентам подробно рассмотреть богатую структуру Млечного Пути, видимую на этой длине волны.

Всё небо с центром Галактики посередине, в ультрафиолетовом диапазоне (сочетание дальнего УФ — 154 нм — и ближнего УФ — 232 нм). Около трети этой карты, включая большую часть галактической плоскости, было спрогнозировано с помощью Claude Science по методу, описанному в этой статье. На дополнительных слоях карты каждый пиксель помечен как «измеренный» или «спрогнозированный», а также приведены оценки неопределённости; посмотреть карту можно здесь.

Когда я читаю курс по астрофизике, то часто начинаю с того, что показываю студентам: вид неба полностью зависит от длины волны, в которой мы его наблюдаем. Каждый диапазон открывает разные особенности. В видимом свете мы видим главным образом звёзды. Инфракрасное излучение позволяет разглядеть свечение крошечных пылинок, сконцентрированных полосой вдоль Млечного Пути. В радиодиапазоне звёзды и пыль меркнут, зато становится виден водородный газ — исходное вещество, из которого образуются новые звёзды. А в рентгеновском диапазоне можно наблюдать бурные явления — например, взрывы звёзд и падение вещества по спирали в чёрную дыру. Вместе эти особенности помогают астрономам понять, как газ сжимается, образуя звёзды, как звёзды обогащают галактику пылью и как формируются такие галактики, как наша.

Три вида неба: в видимом свете, инфракрасном и радиодиапазоне. Источники: ESA Gaia DR3, NASA WISE, HI4PI.

Когда я рассказываю об ультрафиолетовом свете и о том, как он позволяет увидеть пыль, освещённую звёздным светом, — от облаков вокруг молодых звёзд до колец, оставленных звёздными взрывами, — мне всегда приходится извиняться. Единственная карта ультрафиолетового неба, которую я мог показать, была испещрена пробелами.

Почему полной карты ультрафиолетового неба не существовало

Атмосферный озоновый слой поглощает ультрафиолетовый свет, поэтому наблюдать Вселенную в УФ-диапазоне можно только из космоса. За последние 50 лет космические телескопы наблюдали отдельные участки неба в ультрафиолете и публиковали полученные данные. Но многие области так и остались неисследованными.

Самый большой набор данных получен в ходе миссии NASA GALEX, которая проходила с 2003 по 2013 год. За это время было снято около двух третей неба — примерно 38 000 отдельных наблюдений. Однако GALEX намеренно обходил области с очень яркими звёздами, в том числе галактическую плоскость — плоский диск галактики, где звёзды расположены особенно плотно, — из-за риска повредить детекторы спутника. Другие космические телескопы, например Swift NASA и FIMS/SPEAR Южной Кореи, собрали дополнительные данные, но и в объединённых наборах осталось немало пробелов.

Существуют статистические методы, позволяющие оценить недостающие данные и создать полную карту неба в ультрафиолетовом диапазоне. Но для качественного выполнения такой работы нужны недели кропотливого труда: тщательная калибровка каждого пикселя и многократный сложный анализ. Неудивительно, что астрофизики обычно откладывают такие задачи ради более срочных исследований. Во многих областях науки накапливаются похожие проекты: они могли бы объяснить важную концепцию или помочь другим исследователям, но не поднимаются достаточно высоко в чьём-либо списке приоритетов, чтобы их наконец выполнили. С Claude браться за такие менее приоритетные задачи стало проще.

Создание недостающей карты

Этим летом я решил создать полную карту ультрафиолетового неба с помощью Claude Science. Сформулировать задачу было просто, а вот выполнить её — нет: собрать все доступные наборы данных по ультрафиолетовым наблюдениям, привести их к единому масштабу, объединить в одну карту и заполнить все участки неба, которые никогда не наблюдались ультрафиолетовыми телескопами.

Для этого Claude организовал работу команды ИИ-агентов. Сначала агенты искали в интернете общедоступные обзоры неба в ультрафиолетовом диапазоне. Каждый такой обзор представлял собой огромную коллекцию отдельных точек данных или снимков — в случае миссии GALEX NASA их были десятки тысяч. Эти данные собирали на протяжении нескольких лет и в разных условиях.

Загрузив данные, агенты должны были обеспечить внутреннюю согласованность каждого обзора, чтобы можно было сопоставить снимки, сделанные в разные периоды. Особое внимание требовалось уделить областям вокруг ярких звёзд. Как солнце или уличный фонарь может создать блики на фотографии на Земле, так и звёзды могут засветить снимок неба, сделанный космическим телескопом. Эти блики нужно было убрать, прежде чем точно измерять более слабое ультрафиолетовое излучение вокруг звёзд. Множество агентов, параллельно работавших с разными участками неба, смогли устранить эти различия.

Затем обзоры нужно было объединить. Данные были собраны разными приборами на разных телескопах, и каждый из них немного по-своему фиксирует ультрафиолетовое небо. Поэтому перед объединением их следовало взаимно откалибровать, привести к одинаковому разрешению и нанести на единую систему координат. Я дал Claude общие инструкции о том, как это сделать, а Claude поручил задачи команде агентов.

Самой сложной оказалась следующая часть — заполнение пробелов на карте. Около трети неба никогда не наблюдали в ультрафиолетовом диапазоне. Чтобы восполнить эти пустые области, я попросил Claude Science применить метод, называемый инпейтингом. Это распространённый в машинном обучении процесс: модель, обученная на миллионах фотографий, усваивает, как каждая часть изображения связана с окружающими её участками, а затем использует эти знания, чтобы восстановить повреждённые или отсутствующие фрагменты.

Claude объединил этот подход с дополнительными данными, которые были в нашем распоряжении. Там, где отсутствуют наблюдения в ультрафиолете, у нас есть данные в других диапазонах, в том числе в видимом свете, инфракрасном и радиодиапазоне. Используя две трети неба, которые уже были картированы в ультрафиолете, Claude научился определять, как яркость в УФ-диапазоне связана с излучением в других диапазонах. Затем он применил эту зависимость к трети неба, для которой нет данных в УФ-диапазоне, оценив, как должен выглядеть каждый участок и насколько надёжна эта оценка.

Чтобы проверить точность прогнозов модели, я попросил Claude взять области, для которых у нас уже есть данные по ультрафиолету, и намеренно скрыть в них отдельные участки, создав пробелы того же типа, которые должен заполнять инпейтинг. Модель должна была восстановить изображение на основе усвоенных знаний, не имея доступа к настоящим значениям. После нескольких раундов доработки она смогла оценить скрытые данные с погрешностью около 10% относительно реальных измерений в УФ-диапазоне — разницей, почти незаметной человеческому глазу.

Наконец, поверх этого рассеянного фона, восстановленного методом инпейтинга, Claude добавил оценки ультрафиолетового излучения более чем 100 миллионов отдельных звёзд, полученные на основе измерений в видимом свете спутника Gaia Европейского космического агентства. Первая версия полной карты ультрафиолетового неба была готова.

Как данные проходили через рабочий процесс Claude Science, чтобы получилась итоговая карта. Цилиндры обозначают входные данные из общедоступных наборов; синие блоки — детерминированные этапы, выполненные Claude; фиолетовые блоки — компоненты, которые Claude освоил статистическими методами; зелёные блоки — объединение данных и готовые результаты.

Метод проб и ошибок

С первого раза Claude не всё сделал правильно. Однажды вечером, просматривая обработанные снимки, я заметил нечто странное на одном из самых тусклых участков: слабые круги, каждый из которых был чуть ярче или темнее соседних.

Это были следы отдельных наблюдений GALEX. Каждый снимок GALEX охватывает круглый участок неба, и на каждом присутствует слабое, слегка неоднородное ультрафиолетовое свечение земной атмосферы. Если убрать его не полностью, круг будет немного ярче или темнее соседних. В начале проекта Claude отметил это как известную проблему, однако карта всё равно прошла два раунда проверки другими агентами, и ни один из них её не заметил.

Я сказал Claude: «Я вижу диски со следами отдельных наблюдений. Можешь это исправить?» Агенты проследили проблему до остатков атмосферного свечения. Затем Claude скорректировал его во всех 38 000 наблюдениях. Через пару часов обработки круги исчезли.

Яркие звёзды искажают ближние ультрафиолетовые наблюдения, даже если сами не попали в кадр. В каждом ряду показаны наблюдения с областями, которых GALEX избегал. Слева: отдельные участки наблюдений видны как слабые диски. В центре: после вычитания одного уровня фона для каждого участка некоторые диски всё ещё заметны. Справа: готовая карта после дополнительной калибровки, проведённой Claude; пробелы заполнены прогнозом и данными о звёздах Gaia. Источники: NASA GALEX GR6/7 (MAST/STScl) — UV-BKGD (Murthy, 2014) • Swift-UVOT (NASA HEASARC) • FIMS/SPEAR (KASI/MAST) • TD-1 • ESA Gaia DR3 (DPAC) • шаблоны Planck и Ha для заполнения пробелов.

Итоговая карта

Вместе с Claude мы создали больше десятка последовательных версий карты, и каждая была совершеннее предыдущей. Наша совместная работа растянулась на несколько дней и шла по предсказуемому сценарию: сначала в Claude Science мы обсуждали дальнейшие шаги, а затем Claude самостоятельно часами выполнял вычисления, пока я возвращался к другим проектам.

Готовая карта показывает всё небо в ультрафиолетовом диапазоне и множество интересных структур: пылевые облака, светящиеся вокруг ярких молодых звёзд, гигантские пылевые кольца и петли, очерчивающие газовые пузыри, возникшие в результате взрывов массивных звёзд. Вдали от галактической плоскости по всему небу тянутся слабые пылевые волокна, освещённые совокупным светом звёзд всей галактики. Ниже плоскости расположены Большое и Малое Магеллановы Облака — две небольшие соседние галактики, ярко сияющие молодыми звёздами. Мне кажется, карта прекрасна. Она может стать частью коллекции классических карт и помочь поколениям студентов оценить разнообразие физических процессов, происходящих в нашей галактике.

На этот раз я смог заняться таким проектом, не жертвуя временем, которое иначе посвятил бы исследованиям. Думаю, многие учёные могут вспомнить карту, иллюстрацию или полезный ресурс, создание которого они откладывали по той же причине.

Благодарности

Для создания этой карты использовались измерения, полученные в рамках миссий GALEX и Swift (NASA), FIMS/SPEAR (Корея), TD-1 (Европа), а также Planck и Gaia (ESA). Я благодарен всем, кто участвовал в этих миссиях и обеспечил открытый доступ к данным. Многие агенты, работавшие в Claude Science, внесли свой вклад в кропотливую работу над картой. Моя роль ограничилась тем, что я направлял их работу.