Uczenie maszynowe odkrywa nowe spostrzeżenia i rzuca wyzwanie teoriom powstawania galaktyk

Niedawne badania wykazały, że galaktyki w gęstszych środowiskach są zwykle znacznie większe niż izolowane, co podważa istniejące teorie powstawania galaktyk.

Odkrycie to było możliwe dzięki uczenie maszynowe oraz obszerne dane z milionów galaktyk. Odkrycia rodzą nowe pytania dotyczące roli ciemnej materii i łączenia się galaktyk w kształtowaniu kosmosu.

Galaktyki w środowiskach gęstych i izolowanych

Od dziesięcioleci naukowcy wiedzą, że niektóre galaktyki znajdują się w gęstych środowiskach, w pobliżu których znajduje się wiele innych galaktyk. Inne dryfują po kosmosie zasadniczo samotnie, z kilkoma innymi galaktykami w swoim zakątku wszechświata.

Nowe badanie wykazało zasadniczą różnicę między galaktykami w tak rozbieżnych ustawieniach: galaktyki z większą liczbą sąsiadów są zwykle większe niż ich odpowiedniki, które mają podobny kształt i masę, ale znajdują się w mniej gęstych środowiskach. W artykule opublikowanym 14 sierpnia w czasopiśmie „ Dziennik astrofizycznybadacze z Uniwersytet Waszyngtoński, Uniwersytet Yale’aInstytut Astrofizyki Leibniza w Poczdamie w Niemczech i Uniwersytet Waseda w Japonii podają, że galaktyki znalezione w gęstszych regionach Wszechświata są aż o 25% większe niż izolowane galaktyki.

Uczenie maszynowe ujawnia trendy galaktyczne

Badania, w ramach których wykorzystano nowe narzędzie uczenia maszynowego do analizy milionów galaktyk, pomagają rozwiązać długotrwałą debatę wśród astrofizyków na temat związku między rozmiarem galaktyki a jej otoczeniem. Odkrycia rodzą także nowe pytania dotyczące sposobu powstawania i ewolucji galaktyk na przestrzeni miliardów lat.

„Obecne teorie powstawania i ewolucji galaktyk nie są w stanie odpowiednio wyjaśnić odkrycia, że ​​gromady galaktyk są większe niż ich identyczne odpowiedniki w mniej gęstych obszarach Wszechświata” – powiedziała główna autorka Aritra Ghosh, badaczka z tytułem doktora w dziedzinie astronomii na Uniwersytecie Warszawskim i stypendystka LSST-DA Catalyst Fellow z Instytutem DiRAC UW. „To jedna z najciekawszych rzeczy w astrofizyce. Czasami to, co przewidują teorie, a co faktycznie wynika z badania, nie jest ze sobą zgodne, dlatego wracamy i staramy się modyfikować istniejące teorie, aby lepiej wyjaśnić obserwacje”.

Sprzeczne wcześniejsze badania nad rozmiarem galaktyki

Wcześniejsze badania, które dotyczyły związku między rozmiarem galaktyki a środowiskiem, dały sprzeczne wyniki. Niektórzy ustalili, że galaktyki w gromadach są mniejsze niż galaktyki izolowane. Inni doszli do przeciwnego wniosku. Badania miały na ogół znacznie mniejszy zakres i opierały się na obserwacjach setek lub tysięcy galaktyk.

W nowym badaniu Ghosh i jego współpracownicy wykorzystali przegląd milionów galaktyk przeprowadzony za pomocą Teleskopu Subaru na Hawajach. W ramach tego przedsięwzięcia, znanego jako program strategiczny Hyper Suprime-Cam Subaru, wykonano wysokiej jakości zdjęcia każdej galaktyki. Zespół wybrał około 3 miliony galaktyk na podstawie danych najwyższej jakości i wykorzystał algorytm uczenia maszynowego do określenia rozmiaru każdej z nich. Następnie badacze zasadniczo umieścili okrąg – o promieniu 30 milionów lat świetlnych – wokół każdej galaktyki. Okrąg reprezentuje bezpośrednie sąsiedztwo galaktyki. Następnie zadali proste pytanie: Ile sąsiednich galaktyk leży w tym okręgu?

Odpowiedź pokazała wyraźną ogólną tendencję: galaktyki z większą liczbą sąsiadów były również średnio większe.

Rola ciemnej materii i fuzji

Powodów może być wiele. Być może gęsto skupione galaktyki są po prostu większe w momencie powstania lub istnieje większe prawdopodobieństwo, że ulegną efektywnemu połączeniu z bliskimi sąsiadami. Być może ciemna materia – tajemnicza substancja, która stanowi większość materii we wszechświecie, a której nie można wykryć bezpośrednio żadnymi obecnymi metodami – odgrywa pewną rolę. W końcu galaktyki powstają w obrębie pojedynczych „halo” ciemnej materii, a przyciąganie grawitacyjne generowane przez te halo odgrywa kluczową rolę w ewolucji galaktyk.

„Astrofizycy teoretyczni będą musieli przeprowadzić bardziej wszechstronne badania z wykorzystaniem symulacji, aby ostatecznie ustalić, dlaczego galaktyki z większą liczbą sąsiadów są zwykle większe” – powiedział Ghosh. „Na razie jedyne, co możemy powiedzieć, to to, że mamy pewność, że istnieje związek między środowiskiem galaktyki a jej rozmiarem”.

Postępy w uczeniu maszynowym w astronomii

Wykorzystanie niewiarygodnie dużego zbioru danych, takiego jak program strategiczny Hyper Suprime-Cam Subaru, pomogło zespołowi wyciągnąć jasne wnioski. Ale to tylko część historii. Nowatorskie narzędzie do uczenia maszynowego, którego użyli do określenia rozmiaru każdej pojedynczej galaktyki, również uwzględniło nieodłączną niepewność w pomiarach rozmiarów galaktyk.

„Ważną lekcją, jaką wyciągnęliśmy przed tymi badaniami, jest to, że rozstrzygnięcie tej kwestii nie wymaga jedynie badania dużej liczby galaktyk” – powiedział Ghosh. „Potrzebujesz także dokładnej analizy statystycznej. Część tego pochodzi z narzędzi uczenia maszynowego, które mogą dokładnie określić ilościowo stopień niepewności naszych pomiarów właściwości galaktyk”.

GaMPEN: narzędzie na przyszłość

Wykorzystane przez nich narzędzie do uczenia maszynowego nazywa się GaMPEN – czyli Galaxy Morphology Posterior Estimation Network. Jako doktorant w Yale Ghosh kierował rozwojem GaMPEN, co zostało ujawnione w artykułach opublikowanych w 2022 I 2023 w czasopiśmie Astrophysical Journal. Narzędzie jest ogólnodostępne w Internecie i można je dostosować do analizy innych dużych ankiet, stwierdził Ghosh.

Chociaż to nowe badanie koncentruje się na galaktykach, prognozuje również rodzaje badań – skupione na złożonych analizach niewiarygodnie dużych zbiorów danych – które wkrótce szturmem podbiją astronomię. Kiedy nowa generacja teleskopów z potężnymi kamerami, w tym Obserwatorium Vera C. Rubin w Chile, zostanie uruchomiona w Internecie, każdej nocy będą gromadzić ogromne ilości danych o kosmosie. W oczekiwaniu na to naukowcy opracowali nowe narzędzia, takie jak GaMPEN, które mogą wykorzystywać te duże zbiory danych do udzielania odpowiedzi na palące pytania z astrofizyki.

„Już wkrótce duże zbiory danych staną się normą w astronomii” – powiedział Ghosh. „To badanie doskonale pokazuje, co można z nimi zrobić, jeśli ma się odpowiednie narzędzia”.

Odniesienie: „Gęstsze środowiska kultywują większe galaktyki: kompleksowe badanie poza wszechświatem lokalnym z 3 milionami galaktyk hiperszczytowych” autorstwa: Aritra Ghosh, C. Megan Urry, Meredith C. Powell, Rhythm Shimakawa, Frank C. van den Bosch, Daisuke Nagai, Kaustav Mitra i Andrew J. Connolly, 14 sierpnia 2024 r., Dziennik astrofizyczny.
DOI: 10.3847/1538-4357/ad596f

Współautorami badania są Meg Urry, profesor fizyki i astronomii w Yale; Meredith Powell, pracownik naukowy Instytutu Leibniza; Rhythm Shimakawa, profesor nadzwyczajny na Uniwersytecie Waseda; Frank van den Bosch, profesor astronomii w Yale; Daisuke Nagai, profesor fizyki i astronomii w Yale; Kaustav Mitra, doktorant w Yale; oraz Andrew Connolly, profesor astronomii na UW i członek wydziału w Instytucie DiRAC i Instytucie eScience. Badania sfinansowała firma NASAYale Graduate School of Arts & Sciences, Fundacja Johna Templetona, Fundusz Sztuki i Nauki im. Charlesa i Lisy Simonyi, Washington Research Foundation i Instytut eScience UW.