Dobrando o número de lentes gravitacionais conhecidas usando inteligência artificial

O aprendizado de máquina é a chave para a descoberta de mais de 1.200 lentes gravitacionais.

Dados do DESI (Instrumento Espectroscópico de Energia Escura) Legacy Imaging Surveys revelaram mais de 1.200 novas lentes gravitacionais, aproximadamente dobrando o número de lentes conhecidas. Descoberto usando aprendizado de máquina treinadas com dados reais, estas imagens distorcidas e esticadas de galáxias distantes fornecem aos astrónomos uma enxurrada de novos alvos para medir propriedades fundamentais do Universo, como a constante de Hubble, que descreve o Universo em expansão.

Os astrônomos em busca de lentes gravitacionais utilizaram o aprendizado de máquina para inspecionar o vasto conjunto de dados conhecido como DESI Legacy Imaging Surveys, descobrindo 1.210 novas lentes. Os dados foram coletados no Observatório Interamericano Cerro Tololo (CTIO) e no Observatório Nacional Kitt Peak (KPNO), ambos programas da National Science Foundation. NOIRLab. O ambicioso DESI Legacy Imaging Surveys acaba de ter seu nono e último lançamento de dados.

Discutidas em revistas científicas desde a década de 1930, as lentes gravitacionais são produtos da Teoria Geral da Relatividade de Einstein. A teoria diz que um objeto massivo, como um aglomerado de galáxias, pode distorcer o espaço-tempo. Alguns cientistas, incluindo Einstein, previram que esta deformação do espaço-tempo poderia ser observável, como um estiramento e distorção da luz de uma galáxia de fundo por um aglomerado de galáxias em primeiro plano. As lentes normalmente aparecem em imagens como arcos e listras ao redor de galáxias e aglomerados de galáxias em primeiro plano.

Um exemplo de lente gravitacional encontrada nos dados do DESI Legacy Surveys. O círculo quase completo no meio de DESI-015.6763-14.0150 é a imagem de uma galáxia de fundo, distorcida gravitacionalmente (lente) pela galáxia vermelha no centro em um anel de Einstein quase perfeito. Crédito: LBNL/DOE/NERSC/Legacy Imaging Surveys e KPNO/CTIO/NOIRLab/NSF/AURA

Espera-se que apenas 1 em cada 10.000 galáxias massivas mostre evidências de fortes lentes gravitacionais,⁽¹⁾ e localizá-los não é fácil. As lentes gravitacionais permitem aos astrónomos explorar as questões mais profundas do nosso Universo, incluindo a natureza da matéria escura e o valor da constante de Hubble, que define a expansão do Universo. Uma grande limitação do uso de lentes gravitacionais até agora tem sido o pequeno número delas conhecidas.

“Uma galáxia enorme distorce o espaço-tempo ao seu redor, mas normalmente você não percebe esse efeito. Somente quando uma galáxia está escondida diretamente atrás de uma galáxia gigante é possível ver uma lente”, observa o principal autor do estudo, Xiaosheng Huang, da Universidade de São Francisco. “Quando iniciamos este projeto em 2018, havia apenas cerca de 300 lentes fortes confirmadas.”

Um exemplo de lente gravitacional encontrada nos dados do DESI Legacy Surveys. Existem quatro conjuntos de imagens com lentes em DESI-090.9854-35.9683, correspondendo a quatro galáxias de fundo distintas – desde o arco vermelho gigante mais externo até o arco azul brilhante mais interno, organizados em quatro círculos concêntricos. Todos eles são distorcidos gravitacionalmente – ou lentes – pela galáxia laranja bem no centro. Crédito: DESI Legacy Imaging Surveys/LBNL/DOE & KPNO/CTIO/NOIRLab/NSF/AURA

“Como co-líder do DESI Legacy Surveys, percebi que este seria o conjunto de dados perfeito para procurar lentes gravitacionais”, explica o co-autor do estudo David Schlegel do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (LBNL). “Meu colega Huang tinha acabado de ministrar um curso de graduação sobre aprendizado de máquina na Universidade de São Francisco e, juntos, percebemos que esta era uma oportunidade perfeita para aplicar essas técnicas na busca por lentes gravitacionais.”

O estudo de lente foi possível devido à disponibilidade de dados científicos das Pesquisas de Imagens Legadas do DESI, que foram conduzidas para identificar alvos para as operações do DESI, e do qual o nono e último conjunto de dados acaba de ser lançado. Essas pesquisas compreendem uma combinação única de três projetos que observaram um terço do céu noturno: o Dark Energy Camera Legacy Survey (DECaLS), observado pela Dark Energy Camera (DECam) construída pelo DOE no Víctor M. Blanco de 4 metros. Telescópio no CTIO no Chile; a Pesquisa de Legado da Banda Z Mayall (MzLS),⁽²⁾ pela câmera Mosaic3 no Telescópio Nicholas U. Mayall de 4 metros no KPNO; e o Beijing-Arizona Sky Survey (BASS) pela câmera 90Prime do Telescópio Bok de 2,3 metros, que pertence e é operado pela Universidade do Arizona e localizado em KPNO.

Um exemplo de lente gravitacional encontrada nos dados do DESI Legacy Surveys. As duas listras vermelhas próximas ao meio de DESI-010.8534-20.6214 são os arcos de lentes gravitacionais (arcos “retos”) – imagens altamente ampliadas e esticadas – de galáxias de fundo. A lente gravitacional responsável por esta deformação são, colectivamente, as duas concentrações de galáxias laranja acima e abaixo dos arcos rectos. Crédito: DESI Legacy Imaging Surveys/LBNL/DOE & KPNO/CTIO/NOIRLab/NSF/AURA

“Projetamos o projeto de imagem Legacy Surveys desde o início como uma empresa pública, para que pudesse ser usado por qualquer cientista”, disse o coautor do estudo, Arjun Dey, do NOIRLab da NSF. “Nossa pesquisa já rendeu mais de mil novas lentes gravitacionais e há, sem dúvida, muitas mais aguardando descoberta.

Os dados do DESI Legacy Imaging Surveys são fornecidos à comunidade astronômica por meio do Astro Data Lab no Community Science and Data Center (CSDC) do NOIRLab. “Fornecer conjuntos de dados científicos para descoberta e exploração é fundamental para a nossa missão”, disse o diretor do CSDC, Adam Bolton. “O DESI Legacy Imaging Surveys é um recurso fundamental que pode ser usado nos próximos anos pela comunidade astronômica para investigações como essas.”

Para analisar os dados, Huang e a equipe usaram o supercomputador do National Energy Research Scientific Computer Center (NERSC) no Berkeley Lab. “As pesquisas DESI Legacy Imaging foram absolutamente cruciais para este estudo; não apenas os telescópios, instrumentos e instalações, mas também a redução de dados e a extração de fontes”, explica Huang. “A combinação da amplitude e profundidade das observações é incomparável.”

Um exemplo de lente gravitacional encontrada nos dados do DESI Legacy Surveys. Os quatro pontos azuis idênticos perto do centro de DESI-220.4549+14.6891 são quatro imagens da mesma galáxia de fundo (um exemplo de uma cruz de Einstein). A galáxia vermelha no centro é a lente gravitacional responsável pela criação desta miragem. Crédito: DESI Legacy Imaging Surveys/LBNL/DOE & KPNO/CTIO/NOIRLab/NSF/AURA

Com a enorme quantidade de dados científicos para trabalhar, os pesquisadores recorreram a um tipo de aprendizado de máquina conhecido como rede neural residual profunda. Redes neurais são algoritmos de computação comparáveis ​​a um cérebro humano e são usados ​​para resolver problemas de inteligência artificial. As redes neurais profundas têm muitas camadas que, coletivamente, podem decidir se um objeto candidato pertence a um grupo específico. Para poder fazer isso, entretanto, as redes neurais precisam ser treinadas para reconhecer os objetos em questão.⁽³⁾

Com o grande número de candidatos a lentes disponíveis, os pesquisadores podem fazer novas medições de parâmetros cosmológicos, como a constante de Hubble. A chave será detectar uma supernova na galáxia de fundo, que, quando vista por uma galáxia em primeiro plano, aparecerá como múltiplos pontos de luz. Agora que os astrónomos sabem quais as galáxias que apresentam evidências de lentes fortes, sabem onde procurar. Novas instalações, como o Observatório Vera C. Rubin (atualmente em construção no Chile e operado pela NOIRLab) irão monitorizar objetos como estes como parte da sua missão, permitindo que qualquer supernova seja medida rapidamente por outros telescópios.

Os alunos de graduação tiveram um papel significativo no projeto desde o seu início. Andi Gu, estudante da Universidade da Califórnia, disse: “Meu papel no projeto me ajudou a desenvolver diversas habilidades que acredito serem fundamentais para minha futura carreira acadêmica”.

Notas

1. Lentes gravitacionais fortes são aquelas onde o efeito é facilmente visível na forma de arcos ou anéis de Einstein.
2. banda z significa que os dados foram obtidos no infravermelho, centrados em um comprimento de onda de 900 nm.
3. Por exemplo, imagine tentar treinar um humano que nunca viu o céu noturno como reconhecer uma estrela. Você teria que descrever certas características: é pequeno, é brilhante, tem fundo escuro. Mas imediatamente surgem desafios. E se várias estrelas estiverem próximas? E se o céu estiver um pouco nublado? E se o objeto estiver piscando (então não é uma estrela, mas um avião)? Rapidamente fica claro que definir um conjunto claro de regras para descrever um objeto é, na verdade, muito difícil. No entanto, qualquer ser humano que tenha visto o céu noturno será simplesmente capaz de reconhecer outras estrelas depois de vê-las. Esse é o tipo de coisa em que os humanos são muito bons e os computadores são muito ruins. Daí a necessidade de treinar redes neurais altamente sofisticadas para reconhecer os objetos desejados.

Referência: “Descobrindo novas lentes gravitacionais fortes nas pesquisas DESI Legacy Imaging” por X. Huang, C. Storfer, A. Gu, V. Ravi, A. Pilon, W. Sheu, R. Venguswamy, S. Banka, A. Dey, M. Landriau, D. Lang, A. Meisner, J. Moustakas, AD Myers, R. Sajith, EF Schlafly e DJ Schlegel, 2 de março de 2021, O Jornal Astrofísico.
DOI: 10.3847/1538-4357/abd62b

A equipe é composta por X. Huang (Departamento de Física e Astronomia, Universidade de São Francisco), C. Storfer (Departamento de Física e Astronomia, Universidade de São Francisco), A. Gu (Departamento de Física, Universidade da California, Berkeley), V. Ravi (Departamento de Ciência da Computação, Universidade de São Francisco), A. Pilon (Departamento de Física e Astronomia, Universidade de São Francisco), W. Sheu (Departamento de Física, Universidade da Califórnia, Berkeley), R. Venguswamy (Departamento de Física, Universidade da Califórnia, Berkeley), S. Banka (Departamento de Física, Universidade da Califórnia, Berkeley), A. Dey (NOIRLab da NSF), M. Landriau (Divisão de Física, Laboratório Nacional Lawrence Berkeley), D Lang (Divisão de Física, Laboratório Nacional Lawrence Berkeley; Departamento de Astronomia e Astrofísica, Universidade de Toronto; Instituto Perimeter de Física Teórica, Waterloo), A. Meisner (NOIRLab da NSF), J. Moustakas (Departamento de Física e Astronomia, Siena College ), AD Myers (Departamento de Física e Astronomia, Universidade de Wyoming), R. Sajith (Departamento de Física, Universidade da Califórnia, Berkeley), EF Schlafly (NOIRLab da NSF) e DJ Schlegel (Divisão de Física, Laboratório Nacional Lawrence Berkeley) .