Decoding the Imprints of Energy-Momentum Squared Gravity in Neutron Stars with Machine Learning Analysis
تُظهر هذه الدراسة أن مصنفات التعلم الآلي الخاضعة للإشراف، ولا سيما "الغابة العشوائية" (Random Forest)، يمكنها تحقيق دقة تتجاوز 99% في التمييز بين نماذج النسبية العامة ونماذج جاذبية طاقة-زخم مربعة باستخدام مراقبات النجوم النيوترونية (الكتلة، ونصف القطر، وقابلية التشوه المدّي، وتردد التذبذب)، حتى بعد تطبيق القيود الرصدية.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
الجاذبية هي القوة التي تمسك بالكون معاً، وتُشكل كل شيء بدءاً من التفاح المتساقط وصولاً إلى مدارات الكواكب. لأكثر من قرن، كانت نظرية النسبية العامة لألبرت أينشتاين هي المعيار الذهبي لوصف كيفية عمل الجاذبية؛ وقد اجتازت كل اختبار وضعناه أمامها، من انحناء ضوء النجوم إلى التموجات في الزمكان الناتجة عن اصطدام الثقوب السوداء. ومع ذلك، يشك العديد من الفيزيائيين في أن هذه النظرية ليست الكلمة الأخيرة. ففي البيئات الأكثر تطرفاً في الكون، حيث تُسحق المادة إلى كثافات أعلى من النواة الذرية، قد تتغير القواعد. وللتعرف على ذلك، يتطلع العلماء إلى النجوم النيوترونية. هذه النجوم هي النوى المنهارة للنجوم الميتة، وهي كثيفة لدرجة أن ملعقة صغيرة واحدة من مادتها ستزن مليارات الأطنان على الأرض. ولأنها تحشد هذا القدر الهائل من الكتلة في مساحة صغيرة جداً، فإنها تخلق مجالات جاذبية أقوى بكثير مما يمكننا إنتاجه في المختبر، مما يجعلها مختبرات طبيعية مثالية لاختبار ما إذا كانت الجاذبية تتصرف بشكل مختلف عما تنبأ به أينشتاين.
إحدى هذه النظريات البديلة تسمى "جاذبية مربع الطاقة والزخم" (Energy-Momentum Squared Gravity). في هذا الإطار، تتضمن المعادلات التي تصف الجاذبية حداً إضافياً يعتمد على مقدار الطاقة والضغط المحشور في منطقة معينة. وبينما تتصرف هذه النظرية تماماً مثل نظرية أينشتاين في الفضاء الفارغ، إلا أنها تتنبأ بأنه داخل الأجسام الكثيفة مثل النجوم النيوترونية، يجب أن تعمل الجاذبية بشكل مختلف قليلاً. وتتحكم في قوة هذا التأثير الإضافي قيمة عددية واحدة، وهي "معامل الاقتران". فإذا كان هذا الرقم موجباً، تشير النظرية إلى أن داخل النجم يُدفع نحو الخارج، مما يسمح له بأن يكون أكبر وأثقل. وإذا كان الرقم سالباً، يتم ضغط النجم بقوة أكبر، ليصبح أكثر اندماجاً وأخف وزناً. والسؤال الكبير هو ما إذا كان بإمكاننا حقاً التمييز بين هذه السيناريوهات باستخدام البيانات التي يمكننا رصدها من الأرض.
وضع فريق من الباحثين هدفاً للإجابة على ذلك من خلال محاكاة آلاف النجوم النيوترونية تحت ظروف مختلفة. لم يكتفوا بالنظر في نموذج أو اثنين فقط، بل أنتجوا مجموعة بيانات ضخمة تضم حوالي 10,000 نجم نيوتروني مختلف، بُني كل منها باستخدام مجموعة مختلفة من القواعد المتعلقة بكيفية سلوك المادة النووية. ولكل نجم من هذه النجوم، قاموا بحساب كيف سيبدو النجم إذا كان حد الجاذبية الإضافي موجباً، أو سالباً، أو صفراً (مما يعني أنه يسلك سلوك نظرية أينشتاين تماماً). وقد ركزوا على أربع خصائص رئيسية يمكن لعلماء الفلك قياسها أو استنتاجها فعلياً: كتلة النجم، ونصف قطره، ومدى سهولة تمدده بفعل جاذبية نجم مرافق، والتردد الذي يهتز به مثل الجرس بعد تعرضه للاضطراب.
بعد ذلك، طبق الباحثون مرشحاً (فلتر) على مجموعة بياناتهم الضخمة، محتفظين فقط بالنجوم التي تتوافق مع ما نعرفه حالياً عن الكون الحقيقي. فعلى سبيل المثال، استبعدوا أي نجم كان صغيراً جداً أو خفيفاً جداً، لأننا لاحظنا بالفعل نجومًا نيوترونية أثقل وأكبر من تلك الحدود. وقد تركهم هذا مع مجموعة من "النجوم القابلة للرصد"، وهي نماذج يمكن أن توجد فعلياً في كوننا. وكانت الخطوة التالية هي معرفة ما إذا كان بإمكان الكمبيوتر النظر في الخصائص الأربع لهذه النجوم الناجية وتخمين نوع الجاذبية الذي تنتمي إليه بشكل صحيح. وللقيام بذلك، استخدموا "تعلم الآلة"، وهو نوع من الذكاء الاصطناعي الذي يتعلم الأنماط من البيانات. لقد قاموا بتدريب عدة خوارزميات حاسوبية لتعمل كمصنفات، وتعليمها التعرف على البصمات الدقيقة التي تتركها نظريات الجاذبية المختلفة.
كانت النتائج واضحة بشكل مذهل. فحتى بعد تصفية النجوم المستحيلة، ظلت النجوم المتبقية تحمل بصمات مميزة لنظرية الجاذبية التي بُنيت وفقاً لها. تمكنت نماذج تعلم الآلة من التمييز بين الحالات الموجبة والسالبة والصفرية بدقة مذهلة. وقد نجحت خوارزمية محددة، تُعرف باسم "الغابة العشوائية" (Random Forest)، في تحديد نوع الجاذبية لكل نجم في مجموعة الاختبار بدقة تقارب 99.85%. كما حققت طرق أخرى أداءً ممتازاً أيضاً، بمعدلات دقة تجاوزت 99%. كان الكمبيوتر ينظر في حجم النجم، ووزنه، وقابليته للتمدد، واهتزازه، ومن تلك الأرقام وحدها، كان بإمكانه تحديد ما إذا كان النجم محكوماً بجاذبية أينشتاين أو بأحد النسخ المعدلة منها بيقين شبه تام.
يشير هذا الاكتشاف إلى أن آثار الجاذبية المعدلة لا تُمحى بسبب الاختلافات الطبيعية في كيفية تكوين النجوم. فحتى عندما نقصر رؤيتنا على النجوم التي تتناسب مع ملاحظاتنا الحالية، تظل الاختلافات في بنيتها حادة بما يكفي ليتم اكتشافها. وتوحي الدراسة بأنه مع زيادة دقة تلسكوباتنا وأجهزة كشف الموجات الثقالية، قد نتمكن قريباً من استخدام أدوات تعلم الآلة هذه لتحليل البيانات الحقيقية من النجوم النيوترونية. ومن خلال القيام بذلك، قد نتمكن من تأكيد أو استبعاد هذه النظريات البديلة للجاذبية، مما يقربنا من فهم كيفية عمل الكون في زواياه الأكثر تطرفاً. إن هذا العمل لا يثبت أن نظرية أينشتاين خاطئة، ولكنه يوضح أنه إذا كانت هناك نظرية مختلفة هي الصحيحة، فإن أدواتنا وحواسيبنا قادرة بالفعل على إيجاد الدليل.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.