L’intelligence artificielle mène à des découvertes qui peuvent aider à résoudre des énigmes cosmologiques

Voici quatre des nouveaux quasars avec des images quadruples: En haut à gauche et en se déplaçant dans le sens des aiguilles d’une montre, les objets sont: GraL J1537-3010 ou “Wolf’s Paw” GraL J0659 + 1629 ou “Gemini Crossbow”; GraL J1651-0417 ou “Cerf-volant du dragon”; GraL J2038-4008 ou “Lentille de microscope”. Le point flou au milieu des images est la galaxie de la lentille, dont la gravité sépare la lumière du quasar derrière elle de manière à produire quatre images de quasar. En modélisant ces systèmes et en surveillant la variation de la luminosité des différentes images au fil du temps, les astronomes peuvent déterminer le taux d’expansion de l’univers et aider à résoudre les problèmes cosmologiques. Crédit: The GraL Collaboration

Les méthodes d’apprentissage automatique conduisent à la découverte de rares «quasars avec des images quadruples» qui peuvent aider à résoudre des énigmes cosmologiques

À l’aide de techniques d’apprentissage automatique, une équipe d’astronomes a découvert une douzaine de quasars qui ont été déformés par une “lentille” cosmique naturelle et divisés en quatre images similaires. Les quasars sont des noyaux extrêmement lumineux de galaxies lointaines alimentés par des trous noirs supermassifs.

Au cours des quatre dernières décennies, les astronomes ont découvert environ 50 de ces «quasars à imagerie quadruples», ou quads en abrégé, qui se produisent lorsque la gravité d’une galaxie massive devant un quasar divise son image unique en quatre. La dernière étude, qui n’a duré qu’un an et demi, augmente le nombre de quads connus d’environ 25% et démontre le pouvoir de l’apprentissage automatique pour aider les astronomes dans leur recherche de ces bizarreries cosmiques.

«Les Quads sont des mines d’or pour toutes sortes de questions. Ils peuvent aider à déterminer le taux d’expansion de l’univers et à résoudre d’autres mystères, tels que la matière noire et les «moteurs centraux» des quasars », déclare Daniel Stern, auteur principal de la nouvelle étude et chercheur scientifique au Jet Propulsion Laboratory. , qui est géré par Caltech pour POT. “Ce ne sont pas seulement des aiguilles dans une botte de foin, mais des couteaux suisses parce qu’ils ont tant d’utilisations.”

Les résultats, à publier dans Le journal astrophysiqueIls ont été réalisés en combinant des outils d’apprentissage automatique avec des données de divers télescopes terrestres et spatiaux, y compris la mission Gaia de l’Agence spatiale européenne; NASA Wide Field Infrared Survey Explorer (ou WISE); l’Observatoire WM Keck à Maunakea, Hawaï; Observatoire Palomar de Caltech; le télescope des nouvelles technologies de l’Observatoire européen austral au Chili; et le télescope Gemini South au Chili.

Dilemme cosmologique

Ces dernières années, un écart est apparu sur la valeur précise du taux d’expansion de l’univers, également connu sous le nom de constante de Hubble. Deux moyens principaux peuvent être utilisés pour déterminer ce nombre: l’un est basé sur des mesures de la distance et de la vitesse des objets dans notre univers local, et l’autre extrapole le taux de modèles basés sur le rayonnement distant laissé depuis la naissance de notre univers, appelé le fond cosmique des micro-ondes. Le problème est que les chiffres ne correspondent pas.

Ce diagramme illustre comment les quasars sont produits dans le ciel avec des images quadruples, ou quadruples pour faire court. La lumière d’un quasar éloigné, qui se trouve à des milliards d’années-lumière, est déviée par la gravité d’une galaxie massive devant elle, vue de notre point de vue sur Terre. La courbure de la lumière se traduit par l’illusion, une sorte de mirage gravitationnel, où le quasar semble s’être divisé en quatre objets similaires entourant la galaxie de premier plan. Crédit: R. Hurt (IPAC / Caltech) / The GraL Collaboration

«Il y a des erreurs potentiellement systématiques dans les mesures, mais cela semble de moins en moins probable», dit Stern. “De manière plus alléchante, la divergence des valeurs pourrait signifier que quelque chose dans notre modèle de l’univers est erroné et qu’il y a une nouvelle physique à découvrir.”

Les nouveaux quasars, que l’équipe a surnommés Wolf’s Paw et Dragon Kite, faciliteront les futurs calculs de la constante de Hubble et pourraient clarifier pourquoi les deux mesures principales ne sont pas alignées. Les quasars se situent entre les cibles locales et distantes utilisées pour les calculs ci-dessus, donnant ainsi aux astronomes un moyen de sonder la portée intermédiaire de l’univers. Une détermination basée sur un quasar de la constante de Hubble pourrait indiquer laquelle des deux valeurs est correcte ou, peut-être plus intéressant, pourrait montrer que la constante se situe quelque part entre la valeur déterminée localement et la valeur distante, signe possible d’une valeur inconnue auparavant. la physique.

Illusions gravitationnelles

La multiplication d’images de quasars et d’autres objets dans le cosmos se produit lorsque la gravité d’un objet de premier plan, comme une galaxie, plie et amplifie la lumière des objets situés derrière lui. Le phénomène, appelé lentille gravitationnelle, a déjà été observé à plusieurs reprises. Parfois, les quasars se concentrent sur deux images similaires; moins souvent, ils se concentrent sur quatre.

«Les quadruples sont meilleurs que les quasars à double image pour les études de cosmologie, comme la mesure de la distance aux objets, car ils peuvent être parfaitement modélisés», déclare le co-auteur George Djorgovski, professeur d’astronomie et de science des données à Caltech. “Ce sont des laboratoires relativement propres pour effectuer ces mesures cosmologiques.”

Dans la nouvelle étude, les chercheurs ont utilisé des données de WISE, qui a une résolution relativement grossière, pour trouver des quasars probables, puis ont utilisé la résolution nette de Gaia pour identifier lesquels des quasars WISE étaient associés à d’éventuels quasars à quadruple imagerie. Les chercheurs ont ensuite appliqué des outils d’apprentissage automatique pour sélectionner les candidats qui étaient probablement des sources d’images multiples et pas seulement des étoiles différentes proches les unes des autres dans le ciel. Des observations de suivi par Keck, Palomar, le télescope de nouvelle technologie et Gemini-South ont confirmé lesquels des objets étaient en fait des quasars à quadruple image situés à des milliards d’années-lumière.

Humains et machines travaillant ensemble

Le premier quad trouvé à l’aide de l’apprentissage automatique, baptisé Victoria de Centaurus, a été confirmé du jour au lendemain que l’équipe a passé à Caltech, avec des collaborateurs de Belgique, de France et d’Allemagne, tout en utilisant un ordinateur dédié au Brésil, se souvient le co-auteur Alberto Krone -Martins de UC Irvine. L’équipe avait observé à distance leurs objets à l’aide de l’observatoire de Keck.

«L’apprentissage automatique était au cœur de notre étude, mais il ne vise pas à remplacer les décisions humaines», explique Krone-Martins. «Nous formons et mettons continuellement à jour les modèles dans un cycle d’apprentissage continu, de sorte que les humains et l’expérience humaine sont une partie essentielle du cycle. Lorsque nous parlons d ‘«IA» en référence à des outils d’apprentissage automatique comme ceux-ci, cela signifie l’intelligence augmentée, pas l’intelligence artificielle. “

«Non seulement Alberto a initialement proposé des algorithmes d’apprentissage automatique intelligents pour ce projet, mais c’était son idée d’utiliser les données Gaia, ce qui n’avait pas été fait auparavant pour ce type de projet», explique Djorgovski.

“Cette histoire ne consiste pas seulement à trouver des lentilles gravitationnelles intéressantes”, dit-il, “mais aussi à savoir comment une combinaison de big data et d’apprentissage automatique peut conduire à de nouvelles découvertes.”

Référence: «Gaia GraL: systèmes de lentilles gravitationnelles Gaia DR2. VU. Confirmation spectroscopique et modélisation de quasars avec des lentilles d’imagerie quadruple »par D. Stern, SG Djorgovski, A. Krone-Martins, D. Sluse, L. Delchambre, C. Ducourant, R. Teixeira, J. Surdej, C. Boehm, J . den Brok, D. Dobie, A. Drake, L. Galluccio, MJ Graham, P. Jalan, J. Klark, JF LeCampion, A. Mahabal, F. Mignard, T. Murphy, A. Nierenberg, S. Scarano, J Simon, E. Slezak, C. Spindola-Duarte et J. Wambsganss, Le journal astrophysique.
arXiv: 2012.10051

L’étude a été financée par la NASA, la National Science Foundation, la Fundação para a Ciência ea Tecnologia portugaise, la Fondation brésilienne de recherche de São Paulo et le Conseil européen de la recherche. L’équipe d’étude, appelée GraL ou Gaia Gravitational Lenses en raison de l’importance de l’astrométrie Gaia pour ces découvertes, est une collaboration de chercheurs d’Australie, de Belgique, du Brésil, de France, d’Allemagne, d’Inde, du Portugal, de Suisse et des États-Unis.