Milioane de stele explozive ar putea dezvălui în curând secretele energiei negre.
Un nou cadru bazat pe inteligență artificială ar putea transforma modul în care astronomii măsoară expansiunea Universului. Analizând imagini ale supernovelor de tip Ia și modelând mediul lor în detaliu fără precedent, cercetătorii pot estima distanțe cosmice cu o acuratețe apropiată de cea spectroscopică. Tehnica este concepută pentru fluxul masiv de date așteptat de la viitorul Observator Vera C. Rubin și ar putea îmbunătăți semnificativ înțelegerea noastră despre energia neagră.
Astronomii au prezentat un nou instrument puternic, bazat pe inteligență artificială, care ar putea clarifica dramatic viziunea noastră asupra Universului și a forței misterioase cunoscute sub numele de energie neagră. Cercetătorii conduși de Institutul de Științe ale Cosmosului al Universității din Barcelona (ICCUB) au dezvoltat o tehnică nouă care ar putea îmbunătăți considerabil modul în care oamenii de știință studiază expansiunea Universului și investighează forța misterioasă cunoscută sub numele de energie neagră. Publicată în Nature Astronomy, cercetarea introduce un cadru numit CIGaRS, capabil să extragă mult mai multe informații din supernovele de tip Ia, exploziile stelare puternice utilizate pentru a măsura distanțe cosmice vaste. Spre deosebire de multe abordări actuale, metoda se bazează în principal pe date imagistice, în loc de observații spectroscopice costisitoare. Avansul este așteptat să ajute astronomii să valorifice pe deplin seturile enorme de date care vor sosi în curând de la survey-urile cerești de generație următoare, în special cele efectuate de Observatorul Vera C. Rubin.
**De ce contează supernovele de tip Ia**
Supernovele de tip Ia apar atunci când stelele pitice albe explodează. Deoarece aceste explozii ating o luminozitate intrinsecă aproape identică, astronomii le folosesc ca "lumânări standard": comparând luminozitatea lor reală cu cât de luminoase apar de pe Pământ, cercetătorii pot calcula distanța. Aceste măsurători au jucat un rol crucial în descoperirea faptului că Universul se extinde cu o rată accelerată. Oamenii de știință atribuie această accelerare energiei negre, una dintre cele mai semnificative întrebări nerezolvate din fizica modernă. Cu toate acestea, există o complicație importantă: supernovele de tip Ia nu sunt perfect identice.
**Cum afectează galaxiile gazdă măsurătorile supernovelor**
În ultimii 20 de ani, astronomii au descoperit că luminozitatea observată a unei supernove este influențată de galaxia în care apare. Supernovele găsite în galaxii mai vechi sau mai masive pot apărea ușor diferite față de cele care apar în galaxii mai tinere sau mai puțin masive. Cercetătorii au contorizat în mod obișnuit aceste diferențe folosind metode de corecție relativ simple. Deși utile, aceste aproximări pot limita acuratețea măsurătorilor de distanță și, implicit, precizia studiilor cosmologice.
**Un model unificat al supernovelor și al Universului**
Noul cadru abordează această provocare prin modelarea simultană a mai multor factori. În loc să trateze fiecare componentă independent, cercetătorii au construit un singur model integrat, care include exploziile de supernovă în sine, galaxiile lor gazdă, praful care le alterează lumina, schimbările în ratele de supernovă de-a lungul istoriei cosmice și chiar expansiunea Universului. Conectând toate aceste elemente într-un singur cadru statistic și fizic, echipa poate surprinde relații care sunt adesea trecute cu vederea atunci când piesele sunt analizate separat. "O modalitate puternică de a modela Universul este să-l simulăm ab initio în computer folosind inferența bayesiană," spune Raúl Jiménez (ICREA-ICCUB), coautor al studiului. "Aceasta oferă o modalitate de a varia toți parametrii posibili în același timp pentru a prezice în ce Univers trăim. Mai mult, având această capacitate, se poate privi în posibile "necunoscute necunoscute" sistematice pentru a înțelege efectul lor. Impactul acestor sistematice în inferența noastră este, probabil, cel mai important ingredient lipsă în abordările actuale de modelare a Universului."
**Utilizarea inteligenței artificiale pentru a analiza cosmosul**
Construirea unui model atât de cuprinzător ar necesita în mod normal o putere de calcul imensă. Pentru a face abordarea practică, cercetătorii au apelat la o tehnică modernă numită inferență bazată pe simulare. Procesul începe cu oameni de știință care generează un număr mare de universuri simulate bazate pe modele fizice. O rețea neuronală (un tip de inteligență artificială) învață apoi cum observațiile simulate se raportează la proprietățile fizice care le-au generat. Odată antrenat, sistemul poate compara observațiile astronomice reale cu simulările sale și poate determina cei mai probabili parametri subiacenți. Această strategie face posibilă analizarea a zeci de mii de supernove simultan, o sarcină care ar fi nepractică folosind tehnici tradiționale.
**Distanțe galactice precise doar din imagini**
Una dintre cele mai semnificative descoperiri ale studiului este că cadrul poate determina distanțele galactice (redshift-uri) cu o acuratețe ridicată, folosind doar date imagistice. Redshift-ul măsoară cât de mult s-a întins lumina unei galaxii pe măsură ce Universul se extinde. Acesta oferă informații atât despre distanța galaxiei, cât și despre cât de departe în trecut o observăm. Potrivit cercetătorilor, noua metodă oferă estimări de redshift cu o precizie comparabilă cu măsurătorile spectroscopice, dar fără a necesita spectre. Această capacitate este deosebit de importantă, deoarece se așteaptă ca survey-urile viitoare să identifice milioane de candidați la supernove, în timp ce doar un procent mic poate primi în mod realist observații spectroscopice de urmărire.
**Pregătiți pentru valul de date de la Rubin Observatory**
Observatorul Vera C. Rubin, aflat în construcție în Chile, este așteptat să înceapă în curând un survey pe durata a unui deceniu asupra cerului. În timpul acestei misiuni, va descoperi un număr fără precedent de supernove. Aproximativ 99% dintre aceste obiecte vor fi observate doar fotometric, adică prin imagini realizate în diferite culori, mai degrabă decât prin spectre detaliate. Cadrul CIGaRS a fost dezvoltat special având în vedere această provocare. "Spre deosebire de alte cadre, care necesită simplificări analitice, abordarea noastră de inferență bazată pe simulare, completă și fără compromisuri, este capabilă în mod unic să extragă informațiile cosmologice și astrofizice complete din datele obținute cu greu de către Observatorul Rubin, evitând în același timp capcanele părtinirii de selecție și de modelare," spune Konstantin Karchev (ICCUB-SISSA Trieste), autor principal al studiului.
**Perspective asupra formării supernovelor**
Beneficiile se extind dincolo de măsurarea energiei negre. Cadrul oferă, de asemenea, informații noi despre originile supernovelor de tip Ia în sine. Prin reconstruirea modului în care ratele de apariție a supernovelor variază în funcție de vârstele stelelor din diferite galaxii, modelul ajută oamenii de știință să investigheze întrebări de lungă durată despre sistemele care produc în cele din urmă aceste explozii. Cercetătorii au constatat că combinarea simulărilor bazate pe fizică cu inteligența artificială poate depăși mai multe limitări ale metodelor cosmologice actuale. Ei estimează că abordarea ar putea îmbunătăți constrângerile cosmologice cu un factor de până la patru, comparativ cu tehnicile tradiționale care depind doar de un eșantion relativ mic de supernove observate spectroscopic. Pe măsură ce Observatorul Rubin se pregătește să inaugureze o nouă eră a descoperirilor astronomice, instrumente precum CIGaRS ar putea ajuta oamenii de știință să extragă informația maximă din observațiile sale și să obțină o înțelegere mai profundă a Universului.