Los métodos de aprendizaje automático conducen al descubrimiento de raros "cuásares cuadrúpedos"



Cuatro de los nuevos cuásares cuadrúpedos se muestran aquí (izquierda). el objeto central en las imágenes es la galaxia de lentes, la gravedad de la cual está dividiendo la luz del cuásar detrás de ella de tal manera que produce cuatro imágenes cuásares. Al modelar estos sistemas y monitorear cómo las diferentes imágenes varían en brillo con el tiempo, los astrónomos pueden determinar la tasa de expansión del universo y ayudar a resolver problemas cosmológicos. Crédito: La colaboración de Gral

Con la ayuda de técnicas de aprendizaje automático, un equipo de astrónomos ha descubierto una docena de cuásares que han sido deformados por una "lente" cósmica natural y divididos en cuatro imágenes similares. Los cuásares son núcleos extremadamente luminosos de galaxias distantes que funcionan con agujeros negros supermasivos.

En las últimas cuatro décadas, los astrónomos habían encontrado alrededor de 50 de estos "cuásarescuadrúpedasmente imaginedos", o cuadriláteros para abreviar, que ocurren cuando la gravedad de una galaxia masiva que pasa a sentarse frente a un cuásar divide su única imagen en cuatro. El último estudio, que abarcó sólo un año y medio, aumenta el número de estos quads conocidos en aproximadamente un 25 por ciento y demuestra el poder del aprendizaje automático para ayudar a los astrónomos en su búsqueda de estas rarezas cósmicas.

"Los quads son minas de oro para todo tipo de preguntas. Pueden ayudar a determinar la tasa de expansión del universo y ayudar a abordar otros misterios, como la materia oscura y los 'motores centrales' del cuásar", dice Daniel Stern, autor principal del nuevo estudio y científico investigador del Laboratorio de Propulsión a Chorro, que es administrado por Caltech para la NASA. "No son sólo agujas en un pajar, sino cuchillos del ejército suizo porque tienen tantos usos."

Los hallazgos, que se publicarán en The Astrophysical Journal,se hicieron combinando herramientas de aprendizaje automático con datos de varios telescopios terrestres y espaciales, incluida la misión Gaia de la Agencia Espacial Europea; Explorador de encuestas infrarrojas de campo ancho (o WISE) de la NASA; W.M. Observatorio Keck en Maunakea, Hawai'i; Observatorio Palomar de Caltech; el Telescopio de Nuevas Tecnologías del Observatorio Europeo Austral en Chile; y el telescopio Gemini South en Chile.

Dilema cosmológico

En los últimos años, ha surgido una discrepancia sobre el valor preciso de la tasa de expansión del universo, también conocida como constante del Hubble. Dos medios primarios se pueden utilizar para determinar este número: uno se basa en mediciones de la distancia y velocidad de los objetos en nuestro universo local, y el otro extrapola la velocidad de los modelos basados en la radiación distante que queda desde el nacimiento de nuestro universo, llamado fondo cósmico de microondas. El problema es que los números no coinciden.

"Hay errores potencialmente sistemáticos en las mediciones, pero eso parece cada vez menos probable", dice Stern. "Más tentadoramente, la discrepancia en los valores podría significar que algo sobre nuestro modelo del universo está mal y hay nueva física por descubrir."

Los nuevos cuádriceps cuásares, que el equipo dio apodos como Wolf's Paw y Dragon Kite, ayudarán en futuros cálculos de la constante del Hubble y pueden iluminar por qué las dos mediciones primarias no están alineadas. Los cuásares se encuentran entre los objetivos locales y distantes utilizados para los cálculos anteriores, por lo que dan a los astrónomos una manera de sondear el rango intermedio del universo. Una determinación basada en cuásares de la constante del Hubble podría indicar cuál de los dos valores es correcto, o, tal vez más interesante, podría mostrar que la constante se encuentra en algún lugar entre el valor localmente determinado y distante, un posible signo de física previamente desconocida.
Este diagrama ilustra cómo se producen cuadrúpedas cuásares con imágenes, o quads para abreviar, en el cielo. La luz de un cuásar distante, que yacía a miles de millones de años luz de distancia, está doblada por la gravedad de una galaxia masiva que pasa a sentarse frente a ella, como se ve desde nuestro punto de vista en la Tierra. La flexión de la luz resulta en la ilusión de que el cuásar se ha dividido en cuatro objetos similares que rodean la galaxia en primer plano. Crédito: R. Hurt (IPAC/Caltech)/La Colaboración Gral

Ilusiones gravitacionales

La multiplicación de imágenes cuásares y otros objetos en el cosmos ocurre cuando la gravedad de un objeto en primer plano, como una galaxia, dobla y magnifica la luz de los objetos detrás de él. El fenómeno, llamado lente gravitacional, se ha visto muchas veces antes. A veces, los cuásares se melan en dos imágenes similares; con menos frecuencia, se ven con lentes en cuatro.

"Los quads son mejores que los cuásares doblemente imaginados para estudios de cosmología, como medir la distancia a los objetos, porque pueden estar exquisitamente bien modelados", dice el coautor George Djorgovski, profesor de astronomía y ciencia de datos en Caltech. "Son laboratorios relativamente limpios para hacer estas mediciones cosmológicas."

En el nuevo estudio, los investigadores utilizaron datos de WISE, que tiene una resolución relativamente gruesa, para encontrar cuásares probables, y luego utilizaron la resolución aguda de Gaia para identificar cuál de los cuásares WISE estaban asociados con posibles cuásares cuadrúpedos. A continuación, los investigadores aplicaron herramientas de aprendizaje automático para elegir qué candidatos eran más probables multiplicar las fuentes de imagen y no sólo diferentes estrellas sentadas una cerca de la otra en el cielo. Las observaciones de seguimiento utilizando el Espectrómetro de Imágenes de Baja Resolución (LRIS) del Observatorio Keck, así como el Observatorio Palomar, el Telescopio de Nueva Tecnología y Gemini-South confirmaron cuál de los objetos eran de hecho cuásares cuadrúpedos que yacen a miles de millones de años luz de distancia.

Humanos y máquinas trabajando juntos

El primer quad encontrado con la ayuda del aprendizaje automático, apodado Centaurus' Victory, fue confirmado durante una noche entera que el equipo pasó en Caltech, con colaboradores de Bélgica, Francia y Alemania, mientras usaba una computadora dedicada en Brasil, recuerda el coautor Alberto Krone-Martins de UC Irvine. El equipo había estado observando remotamente sus objetos usando el Observatorio Keck.

"El aprendizaje automático fue clave para nuestro estudio, pero no está destinado a reemplazar las decisiones humanas", explica Krone-Martins. "Entrenamos y actualizamos continuamente los modelos en un bucle de aprendizaje continuo, de modo que los seres humanos y la experiencia humana son una parte esencial del bucle. Cuando hablamos de 'IA' en referencia a herramientas de aprendizaje automático como estas, significa Inteligencia Aumentada y no Inteligencia Artificial".

"Alberto no sólo inicialmente se le ocurrió los inteligentes algoritmos de aprendizaje automático para este proyecto, sino que fue su idea utilizar los datos de Gaia, algo que no se había hecho antes para este tipo de proyecto", dice Djorgovski.

"Esta historia no se trata sólo de encontrar lentes gravitacionales interesantes", dice, "sino también de cómo una combinación de big data y aprendizaje automático puede conducir a nuevos descubrimientos".

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