Los investigadores han usado arquitecturas de redes neuronales convolucionales (CNN) para desarrollar un nuevo sistema de inteligencia artificial que clasifica decenas de miles de galaxias en unos pocos segundos, un proceso que puede llevar meses realizar manualmente.

Los astrónomos clasifican las galaxias por forma para comprender cómo se forman y evolucionan.

Arquitectura CNN que supera los modelos anteriores

En última instancia, la técnica podría profundizar nuestra comprensión de cómo las galaxias se transforman con el tiempo. Según podemos leer en el estudio (preprint):

Las fortalezas clave de las técnicas de clasificación automatizadas, como nuestro enfoque de CNN, residen en última instancia en su velocidad y capacidad para generalizar. Aunque entrenar una CNN puede ser una tarea computacionalmente costosa, la velocidad con la que puede clasificar las galaxias una vez entrenadas es órdenes de magnitud mayor de lo que podría ser posible con la clasificación manual.

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Nuestra galaxia ya está empezando a chocar contra otra galaxia

El equipo desarrolló una arquitectura de CNN que supera a los modelos existentes en la clasificación de las morfologías de las galaxias en esquemas de 3 clases (elíptica, lenticular, espiral) y 4 clases (+ irregular / misceláneo). Sus precisiones generales de clasificación fueron 83% y 81% respectivamente.

Los investigadores, además, afirman que el sistema podrá clasificar más de 100.000.000 de galaxias a diferentes distancias de la Tierra y en diferentes entornos. Según el autor principal del estudio, Mitchell Cavanagh, estudiante de doctorado en el Centro Internacional de Investigación en Radioastronomía (ICRAR):

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Se publica una imagen del centro de nuestra galaxia a una resolución nunca vista con anterioridad

Estas redes neuronales no necesariamente van a ser mejores que las personas porque están entrenadas por personas, pero se están acercando con más del 80% de precisión y hasta el 97% al clasificar entre elípticas y espirales. Si coloca a un grupo de astrónomos en una habitación y les pide que clasifiquen un montón de imágenes, es casi seguro que habrá desacuerdos. Esta incertidumbre inherente es el factor limitante en cualquier modelo de IA entrenado con datos etiquetados.

Nuestra galaxia, la Vía Láctea, canibalizó unas cinco galaxias con más de 100 millones de estrellas y unas quince con al menos 10 millones de estrellas, según el primer árbol genealógico completo de nuestra galaxia.

Este árbol genealógico ha sido desarrollado por un grupo de astrofísicos que ha analizado las propiedades de los cúmulos globulares que orbitan la Vía Láctea empleando para ello inteligencia artificial. El trabajo se publica en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Red Neuronal

El estudio se realizó desarrollando un conjunto de simulaciones por computadora avanzadas de la formación de galaxias similares a la Vía Láctea. Sus simulaciones, llamadas E-MOSAICS, son únicas porque incluyen un modelo completo para la formación, evolución y destrucción de cúmulos globulares.

De esta forma, los investigadores pudieron relacionar las edades, composiciones químicas y movimientos orbitales de los cúmulos globulares con las propiedades de las galaxias progenitoras en las que se formaron,

Según esta simulación, la Vía Láctea alberga más de 150 cúmulos globulares, muchos de los cuales se formaron en las galaxias más pequeñas que se fusionaron para formar la galaxia en la que vivimos hoy. Las galaxias progenitoras más masivas chocaron con la Vía Láctea hace entre 6.000 y 11.000 millones de años.

Según explica Diederik Kruijssenm del Centro de Astronomía de la Universidad de Heidelberg:

Para darle sentido al complejo sistema que queda hoy, decidimos utilizar inteligencia artificial. Entrenamos una red neuronal artificial en las simulaciones de E-MOSAICS para relacionar las propiedades del cúmulo globular con el historial de fusión de la galaxia anfitriona. Probamos el algoritmo decenas de miles de veces en las simulaciones y nos sorprendió la precisión con la que fue capaz de reconstruir las historias de fusión de las galaxias simuladas, utilizando solo sus poblaciones de cúmulos globulares.

El mayor catálogo de imágenes astronómicas 3D de estrellas, galaxias y cuásares ha sido creado por un grupo de astrónomos de la Universidad de Hawái en el Instituto de Astronomía de Manoa (IfA).

El equipo utilizó datos del telescopio panorámico y del sistema de respuesta rápida de UH o Pan-STARRS1 (PS1) para descifrar cuáles de los 3.000 millones de objetos son estrellas, galaxias o quásares mediante nuevas herramientas computacionales.

Nuevas herramientas computacionales

Anteriormente, el mapa más grande del universo fue creado por Sloan Digital Sky Survey (SDSS), que cubre solo un tercio del cielo. Para lograrlo, los astrónomos tomaron medidas espectroscópicas disponibles públicamente que proporcionan clasificaciones y distancias de objetos definitivas, y las enviaron a un algoritmo de inteligencia artificial.

Este enfoque de inteligencia artificial o aprendizaje automático con una "red neuronal de retroalimentación" logró una precisión de clasificación general del 98,1% para las galaxias, el 97,8% para las estrellas y el 96,6% para los cuásares. Las estimaciones de distancia de la galaxia tienen una precisión de casi el 3%.

Tiene un tamaño aproximado de 300 GB y los usuarios científicos pueden consultar el catálogo a través de la interfaz SQL de MAST CasJobs o descargar la colección completa como una tabla legible. Según explica el autor principal del estudio, Robert Beck, ex becario postdoctoral de cosmología en IfA:

Utilizando un algoritmo de optimización de última generación, aprovechamos el conjunto de entrenamiento espectroscópico de casi 4 millones de fuentes de luz para enseñar a la red neuronal a predecir los tipos de fuentes y las distancias de las galaxias, mientras que al mismo tiempo corrigimos la extinción de la luz por el polvo en la vía Láctea.

La materia constituye el 31% de la cantidad total de materia y energía en el universo, y el resto consiste en energía oscura, es lo que revela una de las mediciones más precisas jamás realizadas utilizando la técnica de cúmulos de galaxias.

Los resultados de la investigación realizada por un equipo dirigido por científicos de la Universidad de California, Riverside, han sido publicados en el Astrophysical Journal.

Nuevas herramientas

Es difícil medir con precisión la masa de cualquier cúmulo de galaxias porque la mayor parte de la materia es oscura. Los telescopios se tornan inútiles. Así que se empleó una herramienta cosmológica para medir la masa de un cúmulo de galaxias utilizando las órbitas de sus galaxias miembros.

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¿La materia oscura podría ser más antigua incluso que el Big Bang?

A continuación, los los investigadores aplicaron su herramienta a las observaciones del Sloan Digital Sky Survey (SDSS) para crear "GalWCat19", un catálogo de cúmulos de galaxias disponible públicamente. Finalmente, compararon el número de grupos en su nuevo catálogo con simulaciones para determinar la cantidad total de materia en el universo.

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Nuevo modelo para unificar la materia oscura y la energía oscura en gravedad negativa

Una gran ventaja de utilizar nuestra técnica de órbita galáctica GalWeight fue que nuestro equipo pudo determinar una masa para cada cúmulo individualmente en lugar de depender de métodos estadísticos más indirectos. Según explica el primer autor Mohamed Abdullah, estudiante de posgrado en el Departamento de Física y Astronomía de la Universidad de California Riverside:

Para poner esa cantidad de materia en contexto, si toda la materia del universo se distribuyera uniformemente por el espacio, correspondería a una densidad de masa promedio igual a sólo unos seis átomos de hidrógeno por metro cúbico. Sin embargo, dado que sabemos que el 80% de la materia es en realidad materia oscura, en realidad, la mayor parte de esta materia no consiste en átomos de hidrógeno, sino en un tipo de materia que los cosmólogos aún no comprenden.

Cuatro telescopios han registrado una explosión procedente de un agujero negro supermasivo en el centro de una galaxia a 390 millones de años luz de distancia, considerándose la mayor explosión vista en el Universo desde el Big Bang.

No en vano, el cataclismo lanzó cinco veces más energía que el poseedor del récord anterior.

Plasma

La explosión ocurrió en el cúmulo de galaxias de Ofiuco, a unos 390 millones de años luz de la Tierra. El descubrimiento se realizó con cuatro telescopios; Observatorio de rayos X Chandra de la NASA, XMM-Newton de la ESA, Murchison Widefield Array (MWA) en Australia occidental y el radiotelescopio gigante de Metrewave (GMRT) en India.

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"El Big Bang nunca existió": una nueva teoría física investiga las vidas pasadas del Universo

Tal y como lo explica Melanie Johnston-Hollitt, del nodo de la Universidad de Curtin del Centro Internacional para la Investigación de Radioastronomía (ICRAR):

Hemos visto arrebatos en los centros de las galaxias antes, pero este es realmente enorme. Y no sabemos por qué es tan grande. Pero sucedió muy lentamente, como una explosión en cámara lenta que tuvo lugar durante cientos de millones de años.

Denominada TNG50, ya se ha publicado el vídeo de la que se considera la la simulación más detallada de la vida de una galaxia.

Esta simulación permite así a los investigadores estudiar en detalle cómo se forman las galaxias y cómo han evolucionado desde poco después del Big Bang. A continuación, podéis ver el vídeo.

TNG50

Esta galaxia simulada será similar en masa y forma a Andrómeda (M31) cuando la simulación alcance la época actual.

En un cubo de espacio simulado que tiene más de 230 millones de años luz de diámetro, TNG50 puede discernir fenómenos físicos que ocurren en escalas un millón de veces más pequeñas, rastreando la evolución simultánea de miles de galaxias a lo largo de 13,8 mil millones de años de historia cósmica.

Lo hace con más de 20.000 millones de partículas que representan materia oscura (invisible), estrellas, gas cósmico, campos magnéticos y agujeros negros supermasivos. El cálculo en sí mismo requirió 16.000 núcleos en la supercomputadora Hazel Hen en Stuttgart, trabajando juntos, durante más de un año todos los días las 24 horas, el equivalente a quince mil años en un solo procesador, lo que lo convierte en uno de los cálculos astrofísicos más exigentes hasta la fecha.

Podéis ver la densidad del gas cósmico (alto en blanco, bajo en negro). Los recuadros muestran materia oscura a gran escala y luego gas (abajo a la izquierda) y distribuciones estelares y gaseosas a pequeña escala (abajo a la derecha).

Los hallazgos, que han sido presentados en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, revelan por primera vez que la geometría del flujo de gas cósmico alrededor de las galaxias determina las estructuras de las galaxias, y viceversa.

La imagen que podéis ver aquí en alta resolución [ha sido creada a partir de cerca de 7.500 exposiciones individuales](Hubble Legacy Field), y contiene 265.000 galaxias que se extienden a lo largo de 13.300 millones de años hasta solo 500 millones de años después del Big Bang.

Es el 'libro de historia' de galaxias más grande y completo en una sola imagen, utilizando el valor de 16 años de observaciones del Telescopio Espacial Hubble de la NASA/ESA. Ninguna imagen superará a esta hasta que se lancen los futuros telescopios espaciales.

Hubble Legacy Field

El retrato muestra cómo las galaxias cambian con el tiempo, construyéndose para convertirse en las galaxias gigantes. Según Garth Illingworth, de la Universidad de California, Santa Cruz, líder del equipo que creó la imagen:

Ahora que hemos ido más allá que en encuestas anteriores, estamos recolectando muchas galaxias más distantes en el conjunto de datos más grande jamás producido por Hubble. Esta imagen contiene la historia completa del crecimiento de las galaxias en el universo, desde su época de 'infantes' hasta que se convirtieron en 'adultos' de pleno derecho.

El proyecto forma parte del Hubble Legacy Field, que también combina observaciones tomadas por varios estudios de campo profundo del Hubble, incluido el eXtreme Deep Field (XDF), la vista más profunda del universo.

Ya sabíamos que nuestra galaxia, la Vía Láctea, viaja a 900.000 kilómetros por hora hacia el centro de los masivos cúmulos de la constelación de Virgo. Porque, en realidad, todo se mueve a grandes velocidades, el sistema solar, los planetas, otras galaxias, etc.

Lo que ahora se ha descubierto, además, es que las galaxias no solo rotan sobre sí mismas, sino que dan una vuelta completa cada mil millones de años con independencia de su tamaño.

Rotación galáctica

Esta constante propia de un reloj suizo es la que ha sido descubierta por Gerhardt Meurer del nodo UWA (Universidad de Western Australia) del Centro Internacional de Investigación de Radioastronomía (ICRAR) y sus colegas:

Independientemente de si una galaxia es muy grande o muy pequeña, si pudieras sentarte en el borde extremo de su disco mientras gira, te llevaría alrededor de mil millones de años recorrer todo el recorrido. Descubrir tal regularidad en las galaxias realmente nos ayuda a comprender mejor las mecánicas que las hacen funcionar: no encontrarás una galaxia densa girando rápidamente, mientras que otra con el mismo tamaño pero con una densidad menor rota más lentamente.

Meurer también sostiene que, al usar las matemáticas simples, puede mostrar que todas las galaxias del mismo tamaño tienen la misma densidad interior promedio.

Una nueva manera de determinar cuánta masa hay en la Vía Láctea, usando estrellas de hipervelocidad (HVSs) que han sido expulsadas del centro de la galaxia como un punto de referencia, ha sido propuesta por un nuevo estudio llevado a cabo por un equipo de investigadores del Centro Harvard-Smithsoniano de Astrofísica.

Casi dos billones de masas solares

Según las nuevas estimaciones, más precisas que las anteriores, la masa de nuestra galaxia estaría entre 1,2 y 1,9 billones de masas solares.

Los resultados han sido publicados en la revista Astronomy and Astrophysics. Abraham Loeb, uno de los autores del estudio, ha explicado así la trascedencia de esta nueva medición:

La Vía Láctea proporciona un laboratorio para probar el modelo cosmológico estándar. Este modelo predice que el número de galaxias satélites de la Vía Láctea depende sensiblemente de su masa. Al comparar las predicciones con el censo de galaxias satélites conocidas, es esencial conocer la masa de la Vía Láctea. Además, la masa total calibra la cantidad de materia invisible (oscura), establece la profundidad del pozo gravitacional bien e implica la rapidez con la que las estrellas se mueven para que escapen al espacio intergaláctico.

La masa solar es una unidad de medida utilizada en astronomía y astrofísica para medir comparativamente la masa de las estrellas y otros objetos astronómicos muy masivos, como galaxias. Es igual a la masa del Sol y equivale a unas 332 950 veces la masa de la Tierra.

El Principio Cosmológico postula que el Universo es homogéneo e isotrópico a grandes escalas. La isotropía implica que no hay direcciones privilegiadas, mientras que la homogeneidad significa que no hay lugares privilegiados.

Eso es lo hemos confirmado al descubrir una galaxia, que se encuentran entre las más lejanas jamás detectadas. Es una galaxia muy normal.

MACS1423-z7p64

Según informan en un artículo publicado en Nature Astronomy, un grupo de astrónomos ha descubierto una de las galaxias más distantes del universo, y que ésta no es nada fuera de lo común, aunque nos puede enseñar otras cosas.

El nuevo objeto, llamado MACS1423-z7p64, está en un desplazamiento al rojo de 7,6, poniéndolo alrededor de 13.100 millones de años en el pasado.

Estas galaxias ultradistantes, próximas a los inicios del universo, son interesantes porque están dentro de la "Época de Re-ionización", un período cerca de mil millones de años después del Big Bang cuando el universo se hizo transparente.

Y es que, tras el Big Bang, el universo fue una nube de frío hidrógeno atómico que bloqueaba la luz. Las primeras estrellas y galaxias se condensaron fuera de la nube y comenzaron a emitir luz y radiación ionizante. Esta radiación derritió el hidrógeno atómico y las primeras galaxias extendieron su luz a través del universo.

Según palabras de Austin Hoag, estudiante de postgrado en Física de la UC Davis, que ha dirigido la investigación:

También hay preguntas acerca de qué objetos radiales condujeron a la reionización: ¿fueron en su mayoría galaxias jóvenes o también objetos como agujeros negros y rayos gamma?