إعادة بناء المجال المغناطيسي لكوكب المُشتري باستخدام الشبكات العصبية المستندة إلى الفيزياء

Philip W. Livermore، Leyuan Wu، Longwei Chen، Sjoerd de Ridder

مُلخَّص

يمكن استخدام القياسات المغناطيسيّة المستمدّة من بيانات مهمّة جونو لفرض قيود على باطن كوكب المُشتري. ومع ذلك، فإنّ الاستدلال على البنية الداخليّة العميقة المبنيّ على فَرَضيّة غياب التوصيل الكهربائي وتمثيل المجال بالتوافقيّات الكرويّة يظلّ محدود الدقّة بسبب تضخيم الضوضاء عند المقاييس المكانيّة الصغيرة. في هذه الدراسة، نقدّم إعادة بناء جديدة للمجال المغناطيسي الداخلي لكوكب المُشتري استناداً إلى الشبكات العصبيّة المُستندة إلى الفيزياء، باستخدام أوّل 33 مداراً (PINN33) أو أوّل 50 مداراً (PINN50) من مدارات جونو. تتيح هذه الطريقة استكشاف البُنى المحليّة، مع السماح بوجود تيّارات كهربائيّة ضعيفة. مقارنةً بالأساليب التقليديّة، نجد أنّ إعادة البناء على السطح وفي الحجم أعلاه تتوافق مع النتائج السابقة، مع تحقيق درجة ملاءمة مماثلة لبيانات جونو. ومع ذلك، لا تعاني نماذجُنا من تضخيم الضوضاء تحت السطح، ممّا يوفّر رؤيةً أوضح للبنية الداخليّة. نُقدِّر أنّ منطقة الدينامو تمتدّ حتّى نصف القطر النسبي 0.8. عند هذا العمق، يظهر المجال المغناطيسي على هيئة أشرطةٍ طوليّةٍ واضحة، وتبدو البقعة الزرقاء الكبرى متجذّرةً ضمن بُنى متجاورة من رقَعِ فيضٍ مغناطيسيّ محلّي متعاكسة القُطبيّة.

مُلخَّص بلغة بسيطة

تهدف مهمّة جونو أساساً إلى تحسين فهمنا لبنية باطن كوكب المُشتري. إحدى الطرق لتحقيق ذلك هي إعادة بناء المجال المغناطيسي للمُشتري اعتماداً على قياسات جونو، ما يساعد لاحقاً في استكشاف الداخل. من أهمّ المناطق التي نرغب في دراستها منطقة الدينامو، حيث يتولَّد المجال المغناطيسي الكوكبي. تسمح الفَرَضيّات التقليديّة بفرض شرط غياب التوصيل الكهربائي واعتماد مجالٍ جهديٍّ خالٍ من التيّار، وهو ما يتيح استنتاجاتٍ مستقِرّة للبنية العميقة؛ غير أنّ هذه المنهجيّة محدودة بسبب تضخيم الضوضاء عند المقاييس المكانيّة الصغيرة. في هذه الورقة، نقدّم إعادة بناء قائمة على أحدث تقنيّات التعلّم الآلي، مع تخفيف بعض القيود الفيزيائيّة والسماح بوجود بُنى محليّة. تُظهر طريقتُنا صورةً أوضح لداخل كوكب المُشتري مقارنةً بما كان متاحاً سابقاً.

مقدّمة

لقد غيّرت مهمّة جونو، التي أُطلقت عام 2011 (Bolton_etal_2011)، فهمَنا لداخل كوكب المُشتري عبر جمع قياسات ثقليّة ومغناطيسيّة من مدارٍ قطبيّ منذ عام 2016. أتاحت هذه البيانات الجديدة ليس فقط فرض قيودٍ مُحكمة على بنية الكثافة والتدفّق الزوالي (شرق–غرب) في الأجزاء الخارجيّة من الكوكب (Kaspi_etal_2018)، بل أيضاً إعادة بناءٍ جديدة للمجال المغناطيسي بدقّة غير مسبوقة (Connerney_etal_2017, Connerney_etal_2022). تُظهِر هذه الخرائط المغناطيسيّة ميزاتٍ موضعيّة مثل البقعة الزرقاء الكبرى، المُندمجة ضمن مجالٍ ثنائيّ القطب كبير النطاق (Moore_etal_2018)، كما تُظهِر دلائل على التغيّر الزمني البطيء (التغيّر العِلماني) (Ridley_Holme_2016, Moore_etal_2019, Sharan_etal_2022, Bloxham_etal_2022, Connerney_etal_2022).

لاستنتاج بنية المجال المغناطيسي المُولَّد داخليّاً في المُشتري، يلزم إجراء إعادة بناء عالميّة تتّسق مع نموذجٍ فيزيائيّ للمجال، بالاستناد إلى مجموعة قياساتٍ مغناطيسيّةٍ متناثرة جُمِعت على مساراتٍ مداريّة. النموذج الفيزيائي المعتاد يفترض أنّ القياسات أُخِذت داخل منطقةٍ خاليةٍ من التيّارات الكهربائيّة، وتتكوّن من إشارةٍ يهيمن عليها المصدر الداخلي مع مساهماتٍ أصغر من مجالٍ خارجيّ وضوضاء جهازيّة غير مُصحَّحة. بعد ذلك يُطرَح تقريبٌ للمجال الخارجي بافتراض قرصٍ مغناطيسي (مغناطيسوسفيري)، مع تقديراتٍ لمعاملاته (connerney1981modeling, Connerney_etal_2022)، على أنّ دقّة هذا التمثيل قد تتأثّر بتغيّرٍ زمنيٍّ محتمل غير معلوم (Ridley_Holme_2016, Moore_etal_2019). ثم تُلائَم الإشارة المتبقّية، في إطار أقلّ المربّعات، بوصفٍ تحليليّ لمجالٍ مغناطيسي داخليّ \( \bm{B} \) يُشتقّ من جهد \( V \)، حيث \( \bm{B} = -\nabla V \)، وبالتبعيّة تكون كثافة التيّار الكهربائي \( \bm{J} = \bm{0} \). ويُمثَّل الجهدُ عادةً بتوسّعٍ توافقيٍّ كُرويٍّ مُبتور (connerney1981magnetic)، على نحوٍ مماثل لدراسات مجال الأرض المغناطيسي (alken2021international).

ملاحظة: تَعرِض المعادلات بصيغة LaTeX داخل النَّص باستخدام MathJax، وقد تمّ التحقّق من سلامتها الاصطلاحيّة.