Metody uczenia maszynowego doprowadziły do odkrycia rzadkich poczwórnych obrazów kwazarów, które mogą pomóc rozwikłać kosmologiczne zagadki.
Z pomocą technik uczenia maszynowego zespół astronomów odkrył tuzin kwazarów, z których promienie świetlne zostały zniekształcone przez naturalnie występujące kosmiczne “soczewki” i rozdzielone na cztery podobnie wyglądające obrazy. Kwazary to niezwykle jasne jądra odległych galaktyk, napędzane przez znajdujące się w nich supermasywne czarne dziury.
Image credit: The GraL Collaboration
Przez ostatnie cztery dekady astronomowie zaobserwowali około 50 takich poczwórnych obrazów kwazarów, nazwanych “quadami” lub “kosmicznymi koniczynkami”, które powstają gdy grawitacja masywnej galaktyki, znajdującej się przed kwazarem, rozbija jego pojedynczy obraz na cztery. Najnowsze badania, trwające zaledwie półtora roku, zwiększyły tą liczbę o około 25 procent, pokazując jak potężnym narzędziem jest uczenie maszynowe, wspomagające astronomów w poszukiwaniach tych kosmicznych osobliwości.
“Quady (lub kosmiczne czteroilistne koniczynki) to kopalnie złota z punktu widzenia rozmaitych zagadnień. Mogą pomóc w wyznaczeniu prędkości rozszerzania się Wszechświata i rozwiązaniu innych tajemnic, związanych np. z ciemną materią czy ‘centralnym napędem’ kwazarów” – mówi Daniel Stern, kierownik zespołu badawczego z Jet Propulsion Laboratory, zarządzanego przez Caltech dla NASA. “Nie są to zwykłe igły w stogu siana, ale raczej szwajcarskie scyzoryki ze względu na ogrom ich zastosowań.”
Oczekujące na publikację w The Astrophysical Journal odkrycia umożliwiły narzędzia oparte o system uczący się oraz dane z kilku naziemnych i kosmicznych teleskopów, takich jak misja Gaia Europejskiej Agencji Kosmicznej, należący do NASA Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE), Obserwatorium Kecka na hawajskim szczycie Mauna Kea, Obserwatorium Palomar należące do Caltech, New Technology Telescope w Chile Europejskiego Obserwatorium Południowego (ESO) czy teleskop Gemini South w Chile.
Kosmologiczny dylemat
W ostatnich latach pojawiła się rozbieżność związana z dokładną wartością tempa rozszerzania się Wszechświata, zwaną również stałą Hubble’a. Wartość tą można wyznaczyć dwiema metodami: jedna z nich jest zależna od pomiarów odległości i prędkości obiektów w naszym lokalnym wszechświecie, a druga ekstrapoluje prędkość w oparciu o modele bazujące na szczątkowym promieniowaniu z czasów krótko po narodzinach Wszechświata, zwanym mikrofalowym promieniowaniem tła. Problem polega na tym, że liczby uzyskane tymi metodami nie pasują do siebie.
“Może to wynikać z systematycznych błędów pomiarowych, ale wydaje się to coraz mniej prawdopodobne” – mówi Stern – “Bardziej kusząca wydaje się możliwość, że ta różnica oznacza, iż nasz model wszechświata jest błędny i mamy jeszcze coś nowego do odkrycia w dziedzinie fizyki.”
Nowe “kosmiczne koniczynki”, którym zespół nadał przydomki takie jak “Wolf’s Paw” (“Łapa Wilka”), “Dragon’s Kite” (“Smoczy Latawiec”), “Gemini’s Crossbow” (Kusza bliźniąt) czy “Microscope Lens” (Soczewka mikroskopu) pomogą w przyszłych oszacowaniach stałej Hubble’a-Lemaître i mogą wyjaśnić skąd bierze się rozbieżność między wcześniejszymi pomiarami. Kwazary te znajdują się pomiędzy lokalnymi i odległymi obiektami, których obserwacje wykorzystano do wcześniejszych obliczeń, dzięki czemu umożliwiają astronomom zbadanie pośrednich odległości we Wszechświecie. Wyznaczenie stałej Hubble’a-Lemaître w oparciu o kwazary może wskazać, który z wcześniejszych pomiarów jest poprawny, albo – co byłoby jeszcze bardziej interesujące – może wykazać, że wartość tej stałej znajduje się gdzieś pomiędzy wartościami wyznaczonymi lokalnie i dla odległych obiektów, co wskazywałoby na nieznane dotąd zjawisko w fizyce.
Image credit: R. Hurt (IPAC/Caltech)/The GraL Collaboration
Iluzje grawitacyjne
Powielenie obrazów kwazarów i innych obiektów kosmicznych ma miejsce gdy grawitacja bliższego obiektu, np. galaktyki, zakrzywia tor lotu światła i powiększa obraz obiektu znajdującego się w tle. To zjawisko, zwane soczewkowaniem grawitacyjnym, obserwowano już wielokrotnie. Zdarza się, że kwazary soczewkowane są w postaci dwóch podobnych obrazów. Znacznie rzadziej w postaci czterech.
“Quady są lepsze niż podwójne kwazary z punktu widzenia badań kosmologicznych, takich jak pomiary odległości do obiektów, ponieważ mogą być doskonale wymodelowane” – mówi współautor George Djorgovski, profesor astronomii i tzw. “data science” z Caltech. – “Są stosunkowo czystymi laboratoriami dla tych kosmologicznych pomiarów.”
W ramach nowych badań naukowcy użyli danych z WISE o stosunkowo niewielkiej rozdzielczości aby wyszukać prawdopodobne kwazary, a następnie dane wysokiej rozdzielczości z misji Gaia, aby sprawdzić, które obrazy z WISE mogą potencjalnie zawierać kwazary w postaci poczwórnych obrazów. Następnie naukowcy wykorzystali uczący się system, aby wybrał najbardziej prawdopodobnych kandydatów na soczewkowane w postaci wielokrotnych obrazów kwazary, odrzucając zwykłe gwiazdy znajdujące się na niebie bardzo blisko siebie w podobnej konfiguracji. Dalsze obserwacje na teleskopach Kecka, w Obserwatorium Palomar, na New Technology Telescope oraz Gemini South potwierdziły, które z tych obiektów rzeczywiście są poczwórnymi obrazami kwazarów znajdujących się w odległości miliardów lat świetlnych od nas.
Współpraca ludzi i maszyn
Pierwsza “kosmiczna koniczynka” odkryta z pomocą systemu uczącego się, nazwana “Centaur’s Victory” (“Zwycięstwo Centaura”), została potwierdzona podczas nocnych obserwacji zespołu w Caltech, we współpracy z uczonymi z Belgii, Francji i Niemiec, z wykorzystaniem dedykowanego komputera zlokalizowanego w Brazylii, wspomina współautor pracy Alberto Krone-Martins z UC Irvine. Zespół obserwował swoje obiekty zdalnie, wykorzystując teleskop w Obserwatorium Kecka.
“Uczenie maszynowe było kluczowe w naszych badaniach, ale nie zastąpi decyzji podejmowanych przez człowieka” – wyjaśnia Krone-Martins. – “Stale uczymy i poprawiamy modele w nieskończonej pętli, więc ludzie i ich doświadczenie są nieodzowną częścią tej pętli uczenia się. Jeśli mówimy o ‘AI’ w kontekście tego typu systemów uczących się, oznacza to ‘poszerzoną inteligencję’ (Augmented Intelligence), nie sztuczną inteligencję (Artificial Intelligence).”
“Alberto nie tylko opracował sprytne algorytmy uczenia maszynowego dla tego projektu, ale również zasugerował, aby użyć danych z misji Gaia, czego nie robiono wcześniej w tego typu projektach.” – mówi Djorgowski.
“To nie jest tylko historia poszukiwań interesujących soczewek grawitacyjnych” – mówi – “ale również tego, jak połączenie big data i uczenia maszynowego może prowadzić do nowych odkryć.”
Współautorem badań jest Jean Surdej, profesor wizytujący w Instytucie Obserwatorium Astronomiczne UAM w Poznaniu. Prof. Surdej aktualnie uczy studentów, doktorantów i młodych astronomów zagadnień związanych z soczewkowaniem grawitacyjnym. Soczewkowanie grawitacyjne polega na zakrzywianiu biegu promieni świetlnych odległego obiektu, np. kwazara (*), przez masywna galaktykę znajdującą się bliżej, co powoduje powstawanie “kosmicznych miraży”. Jego zainteresowanie badaniami w tym kierunku trwa od 1983 roku, kiedy zaproponował, że niezwykła jasność najjaśniejszych kwazarów we Wszechświecie może być wynikiem wzmocnienia przez soczewkowanie grawitacyjne. Jego zespół odkrył i badał wiele przypadków takich kosmicznych miraży mających postać podwójnych obrazów tego samego kwazara. Kwazary o poczwórnych soczewkowanych obrazach są znacznie rzadsze. Odnalezienie ich można porównać do znalezienia czterolistnej koniczynki na zielonej łące. Można je więc nazwać “kosmicznymi koniczynkami”.
W 2002 roku Jean Surdej zaproponował, aby wykorzystać przegląd nieba wykonywany w ramach satelitarnej misji Gaia, realizowanej przez Europejską Agencję Kosmiczną, do wyszukiwania takich kosmicznych konicznek. Międzynarodowy zespół, do którego należy, ogłosił właśnie w czasopśmie The Astrophysical Journal odkrycie tuzina tego typu kosmicznych miraży, dokonane z pomocą algorytmów sztucznej inteligecji zastosowanych do przeglądu danych z misji Gaia. Dalsze badania astrofizyczne tych nowo odkrytych kosmicznych koniczynek powinny umożliwić niezależne wyznaczenie wieku Wszechświata, prędkości jego ekspansji (stałej Hubble’a-Lemaître) i jego przyszłości.
(*) Kwazar to aktywne jądro w centrum galaktyki. Jest bardzo prawdopodobne, że w samym centrum kwazarów znajdują się supermasywne czarne dziury.
2021-04-07, M. Kamińska, A. Kryszczyńska