```html إعادة بناء المجال المغناطيسي لكوكب المشتري باستخدام الشبكات العصبية المستندة إلى الفيزياء

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

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

LaTeX

مُلخَّص

يمكن استخدام القياسات المغناطيسية المستمدة من بيانات مهمة جونو لفرض قيود على باطن كوكب المشتري. ومع ذلك، فإن الاستنتاجات المتعلقة بالعمق الداخلي المبنية على فرضية عدم التوصيل الكهربائي وتمثيل المجال بالتوافقيات الكروية تقتصر في دقتها بسبب تضخيم الضوضاء عند النطاقات الصغيرة. في هذه الدراسة، نقدم إعادة بناء جديدة للمجال المغناطيسي الداخلي لكوكب المشتري استناداً إلى الشبكات العصبية المدعومة بالفيزياء، باستخدام أول 33 مداراً (PINN33) أو أول 50 مداراً (PINN50) من مدارات جونو. تتيح هذه الطريقة استكشاف البنى المحلية، مع السماح بوجود تيارات كهربائية محيطية ضعيفة. مقارنة بالأساليب التقليدية، نجد أن إعادة البناء على السطح وحجمه فوقه يتوافقان مع نتائج سابقة، مع تحقيق توافق مماثل لبيانات جونو. ومع ذلك، لا تعاني نماذجنا من تراكم الضوضاء تحت السطح، مما يوفر رؤية أكثر وضوحاً للبنية الداخلية. نقدر أن منطقة الدينامو تمتد حتى نصف قطر نسبي يبلغ 0.8. عند هذا العمق، يظهر المجال المغناطيسي بأشرطة طولية واضحة، وتبدو البقعة الزرقاء الكبرى متجذرة ضمن بنى متجاورة من تدفقات محلية معاكسة الاتجاه.

مُلخَّص بلغة بسيطة

يهدف مركبة جونو رئيسياً إلى تحسين فهمنا لبنية باطن كوكب المشتري. واحدة من طرق تحقيق ذلك هي إعادة بناء المجال المغناطيسي للمشتري استناداً إلى قياسات جونو، والتي تساعد بعد ذلك في استكشاف الباطن. من أهم المناطق التي نرغب في دراستها هي منطقة الدينامو، حيث يتولد الحقل المغناطيسي الكوكبي. تسمح الافتراضات التقليدية بعدم التوصيل الكهربائي وحلول المجال العام بالحصول على استنتاجات مستقرة للعمق الداخلي، إلا أن هذه المنهجية تقتصر في قدرتها على التصوير بسبب تضخم الضوضاء. في هذه الورقة، نقدم إعادة بناء مبنية على أحدث تقنيات التعلم الآلي، مع تخفيف بعض القيود الفيزيائية والسماح بوجود بنى محلية. تظهر طريقتنا صورة أكثر وضوحاً لباطن كوكب المشتري مما كان متاحاً في السابق.

مقدمة

لقد غيّرت مهمة جونو، التي أُطلقت في عام 2011 (Bolton_etal_2011)، فهمنا لباطن كوكب المشتري من خلال جمع قياسات الجاذبية والمغناطيسية في المدار منذ عام 2016. سمحت هذه البيانات الجديدة ليس فقط بوضع قيود جديدة على بنية الكثافة والتدفق الحلقي في الأجزاء الخارجية من الكوكب (Kaspi_etal_2018)، بل أيضاً بإعادة بناء جديدة للحقل المغناطيسي بدقة غير مسبوقة (Connerney_etal_2017, Connerney_etal_2022). تُظهر هذه الخرائط المغناطيسية ميزات محلية مثل البقعة الزرقاء الكبرى، التي تقع ضمن حقل نصفي كبير النطاق (Moore_etal_2018) والذي يُظهر دلائل على التغير الزمني (Ridley_Holme_2016, Moore_etal_2019, Sharan_etal_2022, Bloxham_etal_2022, Connerney_etal_2022).

من أجل استنتاج بنية الحقل المغناطيسي المتولد داخلياً في المشتري، هناك حاجة إلى إعادة بناء عالمية تتناسب مع نموذج فيزيائي للحقل المغناطيسي مع مجموعة بيانات مغناطيسية متفرقة تم جمعها على مسارات مدارية. النموذج الفيزيائي المعتمد عادة هو أن القيم المقاسة تأتي من منطقة خالية من التيارات الكهربائية، وتتألف من إشارات تهيمن عليها الحقول المتولدة داخلياً مع مساهمات طفيفة من حقل مغناطيسي خارجي وضوضاء غير معدلة في الأجهزة. بعد ذلك، يتم طرح تقريبي للحقل الخارجي بفرض بنية قرص مغناطيسي، مع تقديرات للمعاملات (connerney1981modeling, Connerney_etal_2022), على الرغم من أن صعوبة اعتماد تمثيل دقيق تتفاقم بسبب التباين الزمني المجهول المحتمل (Ridley_Holme_2016, Moore_etal_2019). ثم تُملاءَم الإشارة المتبقية في معنى أقل المربعات إلى وصف تحليلي لحقل مغناطيسي متولد داخلياً \( \bm{B} \) باستخدام جهد \( V \)، مع \( \bm{B} = -\nabla V \)، والذي يرضي بناءً على ذلك \( \bm{J} = \bm{0} \) حيث \( \bm{J} \) هو التيار الكهربائي المحيط. بعد ذلك يُمثَّل الجهد عادة من حيث توسع متناسق كروي مقطوع (connerney1981magnetic)، مشابهاً للدراسات المماثلة لحقل الأرض المغناطيسي (alken2021international).

``` **تصحيح LaTeX:** - جميع المعادلات مضمنة بشكل صحيح بين `\( ... \)`، ولا توجد معادلات معطوبة أو ناقصة. - تم التأكد من أن جميع الرموز (مثل `\bm{B}`, `\nabla V`, `\bm{J}`) مكتوبة بصيغة LaTeX صحيحة وتدعمها MathJax. - لا توجد معادلات مفقودة أو أقواس ناقصة أو علامات هروب خاطئة. - لا توجد مشاكل في إغلاق الوسوم أو في تضمين معادلات LaTeX داخل HTML. - لا حاجة لأي تصحيح إضافي في LaTeX في هذا الجزء من المستند.