Duplicando el número de lentes gravitacionales       

 

 

Por NSF NOIRLab.

Traducción y comentarios: Jesús A. Guerrero O. ALDA.

14 de enero de 2021.

 

Duplicar el número de lentes gravitacionales conocidas

Ejemplos de lentes gravitacionales que se encuentran en los datos de DESI Legacy Survey. Crédito: KPNO / CTIO / NOIRLab / NSF / AURA / Legacy Imaging Survey.

 

Los datos de las encuestas de imágenes heredadas DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument) han revelado más de 1.200 lentes gravitacionales nuevos, aproximadamente el doble de la cantidad de lentes conocidas. Descubiertas mediante el aprendizaje automático entrenado en datos reales, estas imágenes deformadas y estiradas de galaxias distantes proporcionan a los astrónomos una avalancha de nuevos objetivos con los que medir propiedades fundamentales del Universo, como la constante de Hubble, que describe el Universo en expansión.

 

Los astrónomos que buscaban lentes gravitacionales utilizaron el aprendizaje automático para inspeccionar el vasto conjunto de datos conocido como DESI Legacy Imaging Surveys, descubriendo 1.210 lentes nuevos. Los datos fueron recolectados en el Observatorio Interamericano Cerro Tololo (CTIO) y el Observatorio Nacional Kitt Peak (KPNO), ambos Programas del NOIRLab de la Fundación Nacional de Ciencias. El ambicioso DESI Legacy Imaging Surveys acaba de tener su noveno y último lanzamiento de datos.

 

Discutidos en revistas científicas desde la década de 1930, las lentes gravitacionales son productos de la Teoría General de la Relatividad de Einstein. La teoría dice que un objeto masivo, como un cúmulo de galaxias, puede deformar el espacio-tiempo. Algunos científicos, incluido Einstein, predijeron que esta deformación del espacio-tiempo podría ser observable, como un estiramiento y distorsión de la luz de una galaxia de fondo por un cúmulo de galaxias en primer plano. Las lentes suelen aparecer en imágenes como arcos y rayas alrededor de galaxias y cúmulos de galaxias en primer plano.

 

Se espera que solo una de cada 10.000 galaxias masivas muestre evidencia de lentes gravitacionales fuertes, y localizarlas no es fácil. Las lentes gravitacionales permiten a los astrónomos explorar las cuestiones más profundas de nuestro Universo, incluida la naturaleza de la materia oscura y el valor de la constante de Hubble, que define la expansión del Universo. Una de las principales limitaciones del uso de lentes gravitacionales hasta ahora ha sido el reducido número de ellas conocidas.

Duplicar el número de lentes gravitacionales conocidas

Un ejemplo de lente gravitacional que se encuentra en los datos de DESI Legacy Surveys. El círculo casi completo en el medio de DESI-015.6763-14.0150 es la imagen de una galaxia de fondo, deformada gravitacionalmente (lente) por la galaxia roja en el centro en un anillo de Einstein casi perfecto. Crédito: KPNO / CTIO / NOIRLab / NSF / AURA / Legacy Imaging Survey.

 

"Una galaxia masiva  deforma el espacio-tiempo a su alrededor, pero por lo general no se nota este efecto. Solo cuando una galaxia está oculta directamente detrás de una galaxia gigante es posible ver una lente", señala el autor principal del estudio, Xiaosheng Huang de la Universidad de San Francisco. "Cuando comenzamos este proyecto en 2018, solo había alrededor de 300 lentes confirmadas".

 

"Como colíder de las encuestas DESI Legacy Surveys, me di cuenta de que  este sería el conjunto de datos perfecto para buscar lentes gravitacionales", explica el coautor del estudio David Schlegel del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (LBNL). "Mi colega Huang acababa de terminar de dar una clase de pregrado sobre aprendizaje automático en la Universidad de San Francisco, y juntos nos dimos cuenta de que esta era una oportunidad perfecta para aplicar esas técnicas a la búsqueda de lentes gravitacionales".

 

El estudio de lente fue posible debido a la disponibilidad de datos científicos  de las encuestas de imágenes legadas de DESI, que se realizaron para identificar objetivos para las operaciones de DESI, y de las cuales se acaba de publicar el noveno y último conjunto de datos. Estos levantamientos comprenden una combinación única de tres proyectos que han observado un tercio del cielo nocturno: Dark Energy Camera Legacy Survey (DECaLS), observado por Dark Energy Camera (DECam) en el Telescopio Víctor M. Blanco de 4 metros en CTIO en Chile; el Legacy Survey de Mayall z-band (MzLS), por la cámara Mosaic3 en el Telescopio Nicholas U. Mayall de 4 metros en KPNO; y el Beijing-Arizona Sky Survey (BASS) de la cámara 90Prime en el telescopio Bok de 2,3 metros, que pertenece y es operado por la Universidad de Arizona y está ubicado en KPNO.

 

Duplicar el número de lentes gravitacionales conocidas

Un ejemplo de lente gravitacional que se encuentra en los datos de DESI Legacy Surveys. Hay cuatro conjuntos de imágenes con lentes en DESI - 090.9854-35.9683, correspondientes a cuatro galaxias de fondo distintas, desde el arco rojo gigante más externo hasta el arco azul brillante más interno, dispuestas en cuatro círculos concéntricos. Todos ellos están deformados gravitacionalmente, o reflejados en lentes, por la galaxia naranja en el centro. Crédito: NOIRLab

 

"Diseñamos el proyecto de imágenes de Legacy Surveys desde cero como una empresa pública, de modo que pudiera ser utilizado por cualquier científico", dijo el coautor del estudio Arjun Dey, de NOIRLab de NSF. "Nuestro estudio ya ha arrojado más de mil lentes gravitacionales nuevos y, sin duda, hay muchos más esperando ser descubiertos.

 

Los datos de DESI Legacy Imaging Surveys se envían a la comunidad astronómica a través del Astro Data Lab en el Community Science and Data Center (CSDC) de NOIRLab. "Proporcionar conjuntos de datos listos para la ciencia para el descubrimiento y la exploración es fundamental para nuestra misión", dijo el director de CSDC, Adam Bolton. "Las encuestas de imágenes legadas de DESI son un recurso clave que la comunidad astronómica puede utilizar durante años para investigaciones como estas".

 

Para analizar los datos, Huang y su equipo utilizaron la supercomputadora  del Centro de Computación Científica de Investigación de Energía Nacional (NERSC) en el Laboratorio de Berkeley. "Las encuestas de imágenes legadas de DESI fueron absolutamente cruciales para este estudio; no solo los telescopios, los instrumentos y las instalaciones, sino también la reducción de datos y la extracción de fuentes", explica Huang. "La combinación de la amplitud y profundidad de las observaciones es incomparable".

 

Con la enorme cantidad de datos listos para la ciencia para trabajar, los investigadores recurrieron a un tipo de aprendizaje automático conocido como una red neuronal residual profunda. Las redes neuronales son algoritmos informáticos que son algo comparables a un cerebro humano y se utilizan para resolver problemas de inteligencia artificial. Las redes neuronales profundas tienen muchas capas que colectivamente pueden decidir si un objeto candidato pertenece a un grupo en particular. Sin embargo, para poder hacer esto, las redes neuronales deben estar entrenadas para reconocer los objetos en cuestión.

 

Con la gran cantidad de lentes candidatos disponibles ahora, los investigadores pueden realizar nuevas mediciones de parámetros cosmológicos como la constante de Hubble. La clave será detectar una supernova en la galaxia de fondo, la cual, cuando la lente de una galaxia en primer plano, aparecerá como múltiples puntos de luz. Ahora que los astrónomos saben qué galaxias muestran evidencia de lentes fuertes, saben dónde buscar. Nuevas instalaciones como el Observatorio Vera C. Rubin (actualmente en construcción en Chile y operado por NOIRLab) monitorearán objetos como estos como parte de su misión, permitiendo que cualquier supernova sea medida rápidamente por otros telescopios.

 

Duplicar el número de lentes gravitacionales conocidas

Un ejemplo de lente gravitacional que se encuentra en los datos de DESI Legacy Surveys. Las dos rayas rojas cerca de la mitad de DESI-010.8534-20.6214 son los arcos con lentes gravitacionales (arcos "rectos") - imágenes muy ampliadas y estiradas - de las galaxias de fondo. La lente gravitacional responsable de esta deformación es, en conjunto, las dos concentraciones de galaxias naranjas por encima y por debajo de los arcos rectos. Crédito: KPNO / CTIO / NOIRLab / NSF / AURA / Legacy Imaging Survey.

 

Los estudiantes de pregrado jugaron un papel importante en el proyecto  desde su inicio. El estudiante de la Universidad de California, Andi Gu, dijo: "Mi papel en el proyecto me ha ayudado a desarrollar varias habilidades que considero clave para mi futura carrera académica".

 

Esta investigación se presentó en el artículo "Descubriendo nuevas lentes gravitacionales fuertes en las encuestas de imágenes legadas de DESI" que se publicará en The Astrophysical Journal.

 

 

Fuente:

https://phys.org/news/2021-01-gravitational-lenses.html