Derin öğrenmeyle hava direncini tahmin etmek, kontrolsüz uyduların ve roket aşamalarının Dünya’ya ne zaman düşeceğini tahmin etmeye yardımcı olur

10 Mayıs 2025’te Sovyetler Birliği’nde Venüs’e inmek için inşa edilen bir uzay aracı eve geldi. 1972’de fırlatılan Cosmos-482, roketinin üst kademesindeki arıza nedeniyle mahsur kaldı ve 53 yıl boyunca Dünya’nın etrafında döndü. Son günlerinde birçok uzay ajansı ve araştırma grubu, ne zaman ve dolayısıyla nereye düşeceğini tahmin etti. Roscosmos daha sonra onun Cakarta’nın batısındaki Hint Okyanusu’na indiğini bildirdi.

Cosmos-482 yalnız değil. Avrupa Uzay Ajansı’na göre, 2025’in sonu itibarıyla alçak Dünya yörüngesinde 25.060 kataloglanmış nesne bulunuyordu; bu sayı, on yıl öncesine göre neredeyse iki kat fazlaydı. Birçok eski uydu ve kullanılmış roket aşamaları bir gün kontrolsüz bir şekilde geri düşecek ve Dünya’nın herhangi bir yerine düşebilecek.

Yayınlanan bir çalışmada Acta AstronauticaBu düşüşleri tahmin etmek için iki aracı birleştiriyoruz: bir sinir ağı ve yörünge hareketi yasaları. Çalışma, Endonezya Ulusal Araştırma ve Yenilik Ajansı’ndaki (BRIN) Uydu Teknolojisi Araştırma Merkezi’nden M. Khawariz Andaristiyan tarafından, aynı merkezden Affiani Machmudah ve Wahyudi Hasbi ve Institut Teknologi Bandung’dan Ridanto Eko Poetro tarafından yürütüldü.

Dakikalar neden önemlidir?

Yörüngedeki ömrünün sonuna yaklaşan bir nesne hâlâ saniyede yaklaşık 7,8 kilometre (saniyede 4,8 mil) hızla uçuyor. Düşme sırasındaki bir dakikalık bir hata, düştüğü yeri yolu boyunca yaklaşık 460 kilometre (290 mil) kaydırır ve bir saatlik bir hata, yaklaşık 28.000 kilometre (17.400 mil), yani Dünya etrafındaki yolun üçte ikisi kadar kayar. Bir nesnenin nereye düşeceğini söylemek için önce ne zaman düşeceğini söylemeliyiz.

Güneşle nefes alan bir atmosfer

Bu nesneleri aşağı indiren şey, üst atmosferdeki ince havanın frenlemesi olan sürüklenmedir. Güneş aktif olduğunda, şişen üst atmosferi ısıtır, böylece belirli bir yükseklikteki hava daha yoğun hale gelir ve alçak yörüngeler daha hızlı bozulur. Güneş’in aktivitesi yaklaşık 11 yıllık bir döngüde doğup alçalıyor ve incelediğimiz üç düşüşün tümü, 2023’ten 2025’e kadar olan son aktif yıllarında gerçekleşti.

Havanın bir nesneyi ne kadar yavaşlattığı balistik katsayısıyla ölçülür: sürükleme katsayısı çarpı kesitinin kütlesine bölümü. Kompakt bir küre, havanın her taraftan aynı yüzünü gösterir. Yuvarlanan bir roket sahnesi veya geniş güneş panellerine sahip bir uydu, ona her an farklı bir yüz gösteriyor. Ve frenlemenin en hızlı şekilde arttığı son günlerde, yeni takip verileri çoğunlukla kıtlaşıyor. Yaygın bir basitleştirme, katsayıyı geçmiş izlemeden tahmin edilen bir değerde sabit tutar.

Yörünge için fizik, sürükleme için öğrenme

Bizim düşüncemiz işi fizik ve öğrenme arasında bölüştürmektir. Nesnenin hareketi Newton yasalarına uyuyor, bu yüzden onu Dünya’nın yerçekimi ve düzleşmesini kullanarak, güneş ve jeomanyetik aktivite tarafından yönlendirilen üst atmosferin standart modeli tarafından verilen sürüklemeyi kullanarak hesaplıyoruz. Yazamadığımız şey balistik katsayının nasıl değişeceğidir, bu yüzden bunu bir sinir ağının öğrenmesine izin veriyoruz.

Her nesne için, önce yörüngesinin ne kadar hızlı küçüldüğünü ölçerek, bir tam güneş döngüsü olan 11 yıllık halka açık izleme verilerinden katsayı geçmişini okuduk. Diziler için oluşturulmuş türden hafızaya sahip bir ağ, daha sonra yalnızca o nesne için, nesnenin geçmişinden ve güneş ve jeomanyetik aktivite tahminlerinden katsayıyı tahmin etmeyi öğrenir.

Tahmin sırasında, iki bölüm sırayla çalışır: her üç saatte bir, standart jeomanyetik aktivite endeksinin güncellendiği ritimde, ağ yeni yörüngeyi alır ve yeni bir katsayı döndürür. Hesaplama, yeniden giriş eşiği olarak alınan yükseklik olan 80 kilometrede (50 mil) durur. Ağın tahmininin ne kadar değiştiğini tahmin etmek için, bunu rastgele parçalar kapalıyken 100 kez çalıştırıyoruz; Cevapların yayılması, tahmin edilen süre etrafında bir belirsizlik penceresi sağlar.

Üç düşüş, üç test

Yöntemi olaydan sonra zaten düşmüş olan üç nesne üzerinde test ettik. Cosmos-482 için tahminimiz 06:22 UTC, az ya da çok 11,4 dakika; Roscosmos 06:24’ü bildirdi. 2009 yılında gökyüzünün haritasını çıkarmak üzere fırlatılan ve daha sonra asteroitler ve kuyruklu yıldızlara yönelen NASA kızılötesi teleskopu NEOWISE için, 2 Kasım 2024 00:54 UTC olarak 7,8 dakika tahmin ediyoruz; misyonun web sitesi 00:49’u bildirdi.

2006’da fırlatılan Çin Uzun Yürüyüşü 4B roketinin üst aşaması için, 26 Mart 2023’te 22:45 UTC’yi tahmin ediyoruz; 13,2 dakika az ya da çok; enkazı güneydoğu İspanya’daki Murcia ve Almería üzerinde 22:33 ile 22:36 arasında görüldü. Her üç durumda da Roscosmos’un, misyonun veya gözlemcilerin verdiği zaman penceremizin içinde kalıyor.

Katsayıyı tahmin etmek ne satın alır? Bunu öğrenmek için her tahmini, katsayı son tahmin değerinde dondurularak tekrarladık. Kompakt bir küre olan Cosmos-482 için öngörülen düşüş yalnızca beş dakika ilerliyor. Güneş panelleri ve güneşliğiyle NEOWISE ve devrilmeye eğilimli içi boş bir silindir olan roket aşaması için ise 31 ve 36 dakika sonra, pencerelerimizin dışına ve bildirilen zamanlardan daha uzağa geliyor.

Sırada ne var

Bunlar geriye dönük öngörülerdi: Ajansların düşüşten sonra yayınladığı yeniden yapılandırmalar gibi, düşüşten kısa bir süre öncesine kadar olan izleme verilerini kullanıyorlar. Üç nesne çok az ve her biri en az 11 yıl, yani tam bir güneş döngüsü boyunca izleniyor. Gerçek test, daha kısa bir geçmişe sahip daha genç olanlar da dahil olmak üzere hala yörüngede olan nesneleri tahmin etmektir; bundan sonra işimizin devam edeceği yer burası.

Uygulamalı bir matematikçi olarak bu çalışmada uyduların ötesine geçen bir ders görüyorum. Yer çekimi gibi denklemlerin bilindiği yerlerde bunları çözmeliyiz. Aksi halde, yuvarlanan bir nesnenin güneş tarafından karıştırılan bir atmosferle karşılaşma şekline gelince, veriler bir ağa boşluğu doldurmayı öğretebilir. Burada fizik ve öğrenme rakip değildir: her biri diğerinin yapamadığını kapsar.

Bu hikaye, araştırmacıların yayınlanmış araştırma makalelerinden bulguları raporlayabildiği Science X Dialog’un bir parçasıdır. Science X Dialog ve nasıl katılacağınız hakkında bilgi almak için bu sayfayı ziyaret edin.