Výzkumy v ASU AV ČR (238): Genetické algoritmy odhalují taje fragmentace bolidů

Meteoroidy, velmi malá tělesa kroužící Sluneční soustavou, jsou fragmenty komet a planetek. Díky tomu jsou nedocenitelným zdrojem informací o těchto tělesech. Pozorování meteoroidů tak přinášejí údaje o jejich struktuře, hustotě a mechanické pevnosti. Pokud meteoroidy prolétají zemskou atmosférou, nechávají za sebou výraznou optickou stopu – meteor. A v případě, že je tato stopa velmi jasná, mluvíme o bolidu nebo dokonce o superbolidu. Části superbolidů často přečkají atmosférické namáhání a dopadnou na povrch naší planety jako meteority. Jejich průzkumem přímo získáváme další informace o tělesech meziplanetárního hmoty, o porozitě materiálu, jeho mineralogickém a chemickém složení. Bolidy produkující meteority jsou tak levnou příležitostí, jak se dostat ke vzorkům meziplanetárního materiálu. 

Mnoho charakteristik původního tělíska může být získáno již z důkladné analýzy jeho průletu. K tomu velmi dobře slouží zejména dostupná pozorování získávaná na stanicích Evropské bolidové sítě. Těchto 21 stanic rozložených na území České republiky, Slovenska a po jedné také v Německu a Rakousku, je totiž vybaveno zcela automatickými aparaturami, které sledují průlety bolidů oblohou a poskytují tak kvalitní materiál pro popis trajektorie tělesa v atmosféře i mimo ni. Jsou však také osazeny celooblohovými radiometry, které s frekvencí 5000 vzorků za sekundu zaznamenávají celooblohový jas a v případě průletu bolidu jsou tak jedinečným zdrojem pro popis světelné křivky. 

Fragmentace bolidu, tedy jeho rozpad na menší části, je v radiometrické křivce velmi dobře zachycen. Může probíhat jako náhlý rozpad na dvě nebo více menších částic, to je obvykle spojeno s prudkým zjasněním – zábleskem. Nebo může probíhat postupně uvolňováním prachových částic – erozí – a to se projevuje pomalejší změnou jasnosti. Jiří Borovička z Oddělení meziplanetární hmoty ASU před několika lety vyvinul empirický model, který umožňuje s pomocí uvažovaných fyzikálních procesů popsat fragmentaci prolétajícího tělesa. Nevýhodou tohoto modelu je nutnost ruční interakce se zkušeným uživatelem. Výsledkem je model, který dobře popisuje světelnou křivku, ovšem není jasné, zda je o model unikátní a zda tedy neexistuje popis lepší. 

Výpočet modelu J. Borovičky je poměrně náročný a bylo by ideální, kdyby program mohl projít všechny myslitelné situace a z vypočtené sítě vybrat tu nejlepší. To je ovšem zcela mimo možnosti současné výpočetní techniky. 

Na tuto práci navázal Tomáš Henych a program Jiřího Borovičky doplnil o prostup širokým parametrickým prostorem. Neprozkoumávají se ovšem všechny myslitelné možnosti, ale jen jejich omezený počet, přičemž heuristika výběru optimálního modelu je řízena tzv. genetickým algoritmem. 

Genetické algoritmy jsou inspirovány přírodou. Ta pro daný druh také nerealizuje všechny možnosti, ale postupně se přibližuje určitému optimu, danému vnějšími podmínkami. K nejlepší možnosti přichází příroda postupným křížením genetického materiálu, přičemž vzniklé formy, které nejsou životaschopné, se dlouho neudrží, zatímco schopní jedinci posílají své geny do dalších generací. Počítačové genetické algoritmy fungují na podobném principu. 

Program obvykle začíná s generací „jedinců“ s náhodně zvolenou genovou výbavou – genomem. V řeči práce Tomáše Henycha je „jedincem“ kompletní popis fragmentace bolidu a „geny“ jsou jednotlivé uvažované procesy spojené s fragmentačními událostmi v tomto popisu. Autoři obvykle začínali s generací padesáti jedinců. Důležitým parametrem pro genetické algoritmy je popis optimalizační funkce, tedy jak posoudit, zda je daný jedinec úspěšný nebo ne. V řeči představované práce je měřítkem úspěšnosti realističnost popisu pozorované světelné křivky a také shoda s pozorovanou trajektorií meteoroidu v atmosféře. Je asi zřejmé, že v prvotní generaci, náhodně vybrané, bude úspěšnost popisu světelné křivky velmi různá. Někteří jedinci budou pro studovanou událost zcela nepoužitelní, jiní mohou být v popisu lepší. 

První generace jedinců je pak seřazena podle úspěšnosti a z těch nejúspěšnějších se stanou rodiče pro další generaci. Protože byli úspěšnější (jsou „elitou“ první generace), je zřejmé, že některé z genů, které vlastní, jsou ty „správné“. Genomy rodičů jsou překříženy, čímž vzniká generace potomků. Nejjednodušší postup křížení rozdělí genom dvou rodičů napůl a poloviny prostě prohodí, čímž vznikají dva potomci. Jsou možné i komplikovanější přístupy, např. stříhání genomů na tři části a výměna té středové a další postupy. Příroda se při křížení také zrovna neřídí pevnými pravidly. 

Ani v přírodě není přenos genetické informace dokonalý, takže i v počítačovém genetickém algoritmu dochází při tvorbě potomků k mutacím. To znamená, že se náhodně zvolené geny náhodně změní. Tím se zajistí, že procedura neskončí v nějakém lokálním minimu. 
Generace potomků se vyhodnotí stejně jako jejich rodiče, elita se ponechá, překříží, zmutuje a vzniká další generace. Proces končí, když je dosaženo definované shody, nebo pokud se výsledek už příliš nemění. Další z možností, použitou T. Henychem, je omezení na celkový počet generací. 

Manuální intervence není z procesu vyloučena. Uživatel stále ještě musí určit prvotní odhad okamžiků fragmentace z kalibrované radiometrické křivky, což do procesu vnáší jistou subjektivitu. Problém činí zejména fragmentace erozí, kterou je často obtížné v radiometrické křivce identifikovat. 

Autoři pečlivě otestovali výsledky s využitím genetických algoritmů proti doposud používanému manuálnímu modelu. Byť jsou detaily fragmentačních procesů jiné, výsledky obou metod jsou porovnatelné. Prohledání sítě s pomocí genetických algoritmů tak má svoje opodstatnění a zvyšuje robustnost celého procesu. Navíc metoda genetických algoritmů umožňuje stanovit nejistoty získaných hodnot, což nebylo s ručním modelováním možné. Ve fyzice je určení nejistoty stejně cenné jako určení hodnoty samotné. Hodnota bez nejistoty je často dokonce bezcenná. 

Genetické algoritmy mají svoji budoucnost, pokud jde o prohledání velkého množství možných realizací. Autoři slibují, že budou v nastaveném trendu pokračovat. Součástí procesu by se totiž mohlo stát i vyhledávání časů fragmentačních událostí, což by z procesu odstranilo poslední subjektivní příspěvek člověka. 

REFERENCE

T. Henych, J. Borovička, P. Spurný, Semi-automatic meteoroid fragmentation modeling using genetic algorithms, Astronomy&Astrophysics v tisku, preprint arXiv:2301.11076

KONTAKTY

Mgr. Tomáš Henych, Ph.D.
tomas.henych@asu.cas.cz
Oddělení meziplanetární hmoty Astronomického ústavu AV ČR

Zdroje a doporučené odkazy:
[1] Oddělení meziplanetární hmoty ASU

Převzato: Astronomický ústav AV ČR, v. v. i.