IA destinada a calibrar la materia oscura del Universo

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Los cúmulos de galaxias son los objetos astronómicos más masivos del universo y están compuestos hasta en un 85% por materia oscura (materia que no emite luz y cuya naturaleza todavía desconocemos).

Una colaboración internacional liderada por astrofísicos de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) en España ha estimado, por primera vez mediante técnicas de inteligencia artificial, el contenido de materia total de un conjunto amplio de cúmulos de galaxias.

La técnica empleada es del tipo conocido como aprendizaje automático (una modalidad de inteligencia artificial).

Para el estudio se ha empelado un algoritmo de aprendizaje automático que está basado en redes neuronales convolucionales, un modelo revolucionario desarrollado para el procesado automático de imágenes.

Los resultados del uso del algoritmo en este estudio incluyen las cantidades de materia oscura y se basan en observaciones en el rango de las microondas de la misión espacial Planck de la ESA (Agencia Espacial Europea).

“El procedimiento consiste en comprimir la información contenida en las imágenes, de modo que pueda ser luego fácilmente comparada con alguna propiedad interna de la misma, que en este caso sería la masa total del cúmulo que ocupa la imagen”, explica Daniel de Andrés, profesor ayudante del departamento de Física Teórica de la UAM y primer firmante del trabajo.

Para entrenar el algoritmo, los investigadores tuvieron que generar casi 200.000 imágenes equivalentes a cómo observaría el satélite Planck un conjunto de cúmulos simulados numéricamente.

“Una vez que la red convolucional estuvo entrenada, fue aplicada a más de mil imágenes reales de cúmulos de galaxias observados por el satélite Planck, dando como resultado la estimación de la masa total del objeto astronómico, de acuerdo a lo que el algoritmo ha aprendido de las simulaciones, pero en este caso, libres de posibles sesgos debido a las hipótesis teóricas que se asumen en estudios previos”, detalla Daniel de Andrés.

Por su parte, el coautor Weiguang Cui, afirma que “los resultados obtenidos son muy excitantes. La inteligencia artificial es una herramienta que nos ayudará a entender las complejas relaciones entre las diferentes componentes de materia que ocupan el universo”.

En la colaboración participan investigadores de la Universidad de Edimburgo, el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) y la Universidad de la Sapienza de Roma, junto a expertos de EURA NOVA, empresa con sede en Bélgica y especializada en técnicas de aprendizaje automático.

La inteligencia artificial, y en particular el aprendizaje automático, facilita que una máquina pueda realizar predicciones a partir del estudio de grandes cantidades de datos. De esta forma, los ordenadores pueden realizar tareas complejas, como reconocer objetos en imágenes o jugar al ajedrez.

El aprendizaje automático ha dado lugar recientemente a múltiples aplicaciones en diferentes campos de la industria y la investigación. No solo es útil para acelerar el análisis de enormes cantidades de datos, sino que también trae consigo nuevos descubrimientos.

En particular, los métodos de inteligencia artificial para el análisis de datos astrofísicos están siendo empleados cada vez de forma más habitual en el procesado de imágenes astronómicas.

Los cúmulos de galaxias son agrupaciones de centenares o miles de galaxias enlazadas gravitacionalmente. La materia total que genera este campo gravitatorio está formada, en más del 85%, por un componente de la naturaleza que todavía no entendemos, y que denominamos materia oscura.

Hasta ahora, la materia total de estos objetos se había medido principalmente de dos maneras. A partir de observaciones de la emisión en rayos X del gas intracumular. Y mediante las distorsiones del espectro de frecuencias de los fotones de la radiación de fondo cósmica, cuando atraviesan el gas caliente del cúmulo en su recorrido hacia nuestros radiotelescopios.

“En ambos casos, a partir de las imágenes bidimensionales que recibimos con nuestros instrumentos, hay que aplicar ciertas hipótesis teóricas del estado del gas del cúmulo para poder deducir la masa total que contiene”, explica Daniel de Andrés.

“La única forma que teníamos hasta ahora para establecer estas relaciones teóricas entre la emisión del gas y la masa, era a partir de simulaciones numéricas que intentan reproducir la formación de estos objetos y que modelan las complejas relaciones existentes entre los diversos componentes del cúmulo: gas, estrellas, supernovas, agujeros negros y materia oscura”, concluye el investigador.

NOTICIAS DE LA CIENCIA (25/10/2022)

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