100kitov.ru

Интересные факты — события, биографии людей, психология
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

С помощью машинного обучения найдена молодая галактика

Обнаружена самая юная галактика современной Вселенной

Результаты, достигнутые благодаря объединению больших данных, полученных с помощью телескопа «Subaru», и машинного обучения, позволили обнаружить галактику с чрезвычайно низким содержанием кислорода, равным 1,6 процента от солнечного, что побило предыдущий рекорд. Измеренный параметр показывает, что большинство звезд в ней образовалось совсем недавно.

Чтобы понять эволюцию галактик, астрономы должны изучать их на разных стадиях жизненного цикла. Большинство галактик в современной Вселенной являются «зрелыми», но стандартная космология предсказывает, что по-прежнему сохраняются шансы на обнаружение звездных домов на ранних стадиях формирования. Поскольку такие галактики встречаются редко, международная исследовательская группа обратилась к данным широкого обзора телескопа «Subaru».

«Чтобы найти очень слабые, редкие галактики, необходимы глубокие, широкие данные, полученные с помощью телескопа «Subaru»», – подчеркивает руководитель исследовательской группы доктор Такаши Кодзима.

Телескоп «Subaru». Credit: National Astronomical Observatory of Japan

Однако наблюдения телескопа включают до 40 миллионов объектов, что значительно затрудняет их анализ. Поэтому ученые разработали новый метод машинного обучения, чтобы найти юные галактики в огромном наборе данных. Обучив компьютерную модель различать цвета галактик, предсказанные теоретическими симуляциями, они получили выборку объектов, проходящих через раннюю стадию эволюции.

Дополнительно изучив 27 кандидатов, вошедших в результаты нейронной сети, они обнаружили, что галактика HSC J1631 + 4426, расположенная на расстоянии 430 миллионов световых лет в созвездии Геркулеса, имеет содержание кислорода всего 1,6 процента от солнечного, что стало самым низким значением за всю историю галактического изучения. Измеренное содержание кислорода наряду с минимальной массой галактики показывает, что большинство звезд в ней образовалось совсем недавно. Другими словами, она действительно находится на ранней стадии эволюции.

«Что удивительно, так это то, что звездная масса галактики HSC J1631 + 4426 очень мала, 800 тысяч солнечных масс. Она составляет всего около 1/100 000 массы Млечного Пути, что сравнимо со звездными скоплениями нашей Галактики», – сообщают исследователи.

Изображение юной галактики HSC J1631 + 4426, обнаруженной с помощью телескопа «Subaru» и побившей рекорд по низкому содержанию кислорода. Credit: NAOJ/Kojima et al.

Согласно стандартной космологической модели, в современной Вселенной все еще рождаются новые галактики. Открытие HSC J1631 + 4426 подтверждает эту картину, и мы можем засвидетельствовать новорожденную галактику в новейшую эпоху космической истории.

«Стандартная космология предполагает, что плотность материи Вселенной быстро падает за счет ее ускоренного расширения. В будущем материя не сможет собираться под действием гравитации, и новые галактики перестанут возникать. Таким образом, юная HSC J1631 + 4426 может оказаться галактикой последнего поколения», – заключили авторы исследования.

Читайте так же:
7 законов жизни от гуру сетевого маркетинга: рассказываем во всех подробностях

Как мы учили ИИ распознавать скопления галактик

image

Недавно, вместе с командой друзей-астрофизиков, я закончила проект, целью которого был поиск далеких, скрытых тканью космоса галактик и их скоплений. Сейчас я поделюсь с вами тем, что мы сделали в результате этой непростой работы.

Анализ данных

Галактики и их скопления – крупномасштабные объекты видимой части Вселенной. Результаты посвященных им исследований представляют ценную информацию для расширения области знания о различных крупномасштабных структурах и позволяют выявить особенности формирования современного вида Вселенной. Подробнее об этом я расскажу в следующих статьях (если вам будет интересно).

Для анализа гигантского объема информации, поступающей с телескопов, хотя бы на наличие галактик требуется автоматический механизм (или больше астрономов). Можно написать программу, выполняющую эту задачу. Но как научить её отличать галактики и их скопления от других объектов космоса?

Нам повезло, в космосе нашлось место для «магии», а конкретно для эффекта Сюняева-Зельдовича, открытом еще в прошлом веке.

Эффект заключается в следующем: изначально фотоны реликтового излучения не энергичны, как ленивец на ветке эвкалипта, но после взаимодействия с электронами, обладающими большим количеством энергии внутри газа, их энергия возрастает за счет температуры газа в скоплении, который разогревается при адиабатическом сжатии либо под действием сил гравитации, либо при столкновении галактик и облаков межгалактического вещества.

image
Рис. 1. Эффект Сюняева — Зельдовича.

За счет увеличения энергии, фотон увеличивает свою частоту и переходит из миллиметрового диапазона в субмиллиметровый. В этот момент в направлении на скопления галактик фотонов реликтового излучения с заданной температурой в миллиметровом диапазоне не хватает, поэтому в направлении на скопление галактик там наблюдается провал по отношению к среднему фону. А в субмиллиметровом диапазоне, наоборот, избыток фотонов и локальный пик.

Проявляется это так: эффект космического микроволнового фона (т.е. равномерно заполняющего Вселенную теплового излучения, далее CMB), наблюдаемый вдоль линии скопления галактик, выглядит слабее на низких частотах и ярче на высоких.

Таким образом, под влиянием эффекта фон преобразуется в отрицательный сигнал для частот ниже порога (рис. 2, изображение слева) и положительный сигнал для частот выше порога с отсутствием сигнала на нулевой частоте 217 ГГц (рис. 2, изображение справа). Эта особенность эффекта и позволяет астрономам находить кластеры галактик и сверхскопления в микроволновой области спектра.
Чем не магия?

Читайте так же:
Праздник Хэллоуин – все самое интересное, краткая история, фото и видео

image
Рис. 2. Влияние эффекта Сюняева-Зельдовича на видимые свойства скоплений галактик

Экспериментальные доказательства существования эффекта были получены совсем недавно, когда на телескопе Planck астрофизики проводили исследования электромагнитного спектра и обратили внимание на то, что на одних частотах наблюдаемая область неба кажется «пустой», а на других на ней вырисовываются целые скопления галактик.

image
Рис. 3. Это первое сверхскопление, открытое с помощью эффекта Сюняева-Зельдовича. Слева — изображение, полученное «Планком». Правая панель показывает изображение, полученное с помощью обсерватории «XMM-Ньютона».

Это все здорово, но что сделали мы?

Знаете, часто возникают ситуации, когда вы принимаете решение заняться чем-либо просто потому, что вам это нравится, хотя вы предполагаете, что это не понадобится в будущем. Это была такая же ситуация.

Когда текст для основной части работы был написан и оставалось совсем немного времени для оформления результатов, а до дедлайна оставалось чуть меньше недели, я сидела перед монитором и не знала, что делать. Мне иногда даже нравятся такие ситуации, потому что только в них приходится решать задачу на оптимальную стратегию. Я понимала, что распознать большое количество данных (около 10 000 изображений) не смогу физически, а за моими плечами только три пройденных курса, один из которых меня как раз и выручил. Курс посвящен работе с Inception, свёрточной нейросетью компании Google, который я когда-то прошла «для саморазвития» (ссылка в конце статьи).

Для работы с нейронной сетью использовано программное обеспечение Anaconda 2, язык программирования Python 2.7, библиотека Keras для работы с машинным обучением и большими данными и Theano для работы с числовыми данными.

Конечно без советов людей, которые занимаются машинным обучением в течение двух лет, не обошлось. Поэтому через четыре дня у нас была программа для работы с нейросетями глубокого обучения.

Сеть состоит из последовательностей сверточных слоев (CL) и слоев объединения (PL). Сверточные слои позволяют извлекать несколько карт признаков из входных изображений, а слои объединения выполняют заданную подвыборку на картах функций.

Эти последовательности слоев соответствуют этапу выделения признаков. Для классификации изображений выходной уровень является полностью связанным слоем с числом единиц, равным количеству классов. Сеть построена по базовой архитектуре с двумя этапами свертки (особого вида интегрального преобразования) и подвыборки, подключенными к классификатору, что представлено на рисунке.

Читайте так же:
9 советов от Ричарда Брэнсона: разбираем досконально

image
Рис. 4. Архитектура нейронной сети

Обучение сети происходило с учителем. Каталоги фотографий для обучения сети и дальнейшего распознавания скоплений галактик составлен с помощью GLESP — схемы пикселизации карт космического микроволнового фона, которая создает строгое ортогональное разложение отображения. Для создания каталога обучения нейронной сети использованы данные с миссии телескопа Planck, целью которой был поиск галактик и их скоплений при помощи эффекта Сюняева-Зельдовича. Данные с миссии представлены в виде 6 135 изображений, сделанных на частотах 100, 143, 217, 353 и 545 ГГц.

Одни из результатов работы сети представлены на рисунке 5. Мы получили два коэффициента (0,35 и 0,87). И если коэффициент больше 0,5, то на изображении скопление галактик.
И, о чудо, мы нашли скопление!

image
Рис. 5. Результаты работы сети

Программа была применена к каталогу изображений разных участков неба и в настоящее время анализирует их на наличие галактик и их скоплений.

В перспективе проекта мы будем более подробно изучать принцип влияния эффекта Сюняева-Зельдовича на видимые свойства крупномасштабных объектов Вселенной и создадим универсальный аналитический алгоритм для более подробного изучения космических объектов.

Я очень надеюсь, что эта небольшая статья хоть на минутку перенесла вас в чудесный мир космоса. До встречи в следующих статьях!

ИИ обнаружил удивительную молодую галактику

Молодая галактика

HSC J1631 + 4426 – галактика с очень низким содержанием кислорода. Авторы и права: NAOJ / Kojima et al.

Новые результаты, достигнутые благодаря объединению больших данных, полученных с помощью телескопа Subaru, позволили обнаружить галактику с чрезвычайно низким содержанием кислорода (около 1,6%). Измеренное содержание кислорода показывает, что большинство звёзд в этой галактике образовались совсем недавно.

Чтобы понять эволюцию галактик, астрономы должны изучать эти объекты на разных стадиях их формирования и эволюции. Большинство галактик в современной Вселенной являются зрелыми галактиками, но стандартная космология предсказывает, что небольшое число галактик должно находиться на ранней стадии формирования. Поскольку эти галактики встречаются редко, астрономы искали их в весьма объёмных данных телескопа Subaru.

Международная исследовательская группа также разработала новый метод машинного обучения, который помог выделить такие галактики из огромного количества данных.

Затем исследовательская группа выполнила последующие наблюдения, чтобы определить химический состав 4 из 27 кандидатов, выбранных компьютером. Они обнаружили, что в одной галактике (HSC J1631 + 4426), находящейся на расстоянии 430 миллионов световых лет от нас в созвездии Геркулеса, содержание кислорода составляет всего 1,6 процента. Это самое низкое значение за всю историю наблюдений. Измеренное содержание кислорода показывает, что большинство звёзд в этой галактике образовалось совсем недавно. Другими словами, эта галактика находится на ранней стадии эволюции.

“Что удивительно, так это то, что звёздная масса галактики HSC J1631 + 4426 очень мала, 0,8 миллиона солнечных масс. Эта звёздная масса составляет всего около 1/100 000 нашей галактики Млечный Путь и сравнима с массой звёздного скопления”, – говорит профессор Оучи из Национальной астрономической обсерватории Японии и Токийского университета..

Исследовательская группа считает, что из этого открытия следует два интересных вывода. Во-первых, это самое убедительное свидетельство существования галактики на столь ранней стадии эволюции. Считается, что в рамках стандартной космологии новые галактики рождаются в современной Вселенной. То есть своим существованием галактика HSC J1631 + 4426 подтверждает картину стандартной космологии. Во-вторых, мы можем быть свидетелями появления новой галактики в новейшую эпоху космической истории. Стандартная космология предполагает, что плотность вещества во Вселенной быстро падает по мере увеличения скорости расширения Вселенной. В будущем в быстрорасширяющейся Вселенной материя не будет собираться посредством гравитации, в следствии чего не смогут формироваться новые галактики.

Читайте так же:
6 ошибок в английском, которым вас научили еще в школе: общий взгляд

HSC J1631 + 4426 может представлять последнее поколение галактик, которые развиваются в современной Вселенной.

Результаты исследования будут опубликованы в Astrophysical Journal.

ALMA нашла неожиданно упорядоченную для ранней Вселенной галактику

Телескоп ALMA обнаружил далекую и очень молодую галактику, которая оказалась неожиданно упорядоченной, сообщается в журнале Nature. Несмотря на то, что астрономы ее видят в момент, когда возраст Вселенной составлял всего 10 процентов от современного, она, как и Млечный путь, уже обладает вращающимся диском и балджем. При этом каким образом подобные структуры могли сформироваться столь быстро, исследователям неясно.

Современная Вселенная — холодное (2,73 кельвина) и довольно спокойное место, но так было далеко не всегда. В прошлом она была намного более плотной, горячей и хаотичной. Теоретики предполагают, что первые галактики в ней формировались из сгустков газа, которые коллапсировали под действием собственной гравитации, порождая звезды и потом сталкивались между собой. Из-за этого, по мнению ученых, они должны были быть довольно турбулентными и неустойчивыми, однако новое исследование показывает, что древние галактики, на самом деле, могли иметь относительно упорядоченную структуру.

Франческа Риццо (Francesca Rizzo) из Института астрофизики общества Макса Планка вместе с коллегами при помощи интерферометра ALMA обнаружила очень далекую и, как следствие, очень молодую галактику SPT0418-47, свет от которой шел к нам более 12 миллиардов лет. Она имеет красное смещение z = 4,2, и она видна такой, какой она была, когда Вселенной было всего 1,4 миллиарда лет. Увидеть столь далекий объект ученым удалось благодаря другой, намного более близкой галактике, которая выступила в качестве гравитационной линзы. Благодаря методам машинного обучения астрономы смогли восстановить истинную форму SPT0418-47 (из-за гравитационного влияния более близкой галактики она изначально выглядела на снимках почти идеальным кольцом), а также измерить параметры движения газа в ней.

Читайте так же:
Чего не хватает, если хочется сладкого, соленого или кислого?

Выяснилось, что нeсмотря на высокий темп звездообразования и связанные с этим высокоэнергетические процессы, галактический диск SPT0418-47 — самый упорядоченный из всех когда-либо наблюдавшихся в ранней Вселенной. Хотя у галактики, по-видимому, нет спиральных рукавов, она обладает диском, который вращается со скоростью 272 километра в секунду, и балджем — большим облаком звезд, плотно окружающем со всех сторон галактический центр. При этом балдж у галактики на столь раннем этапе эволюции Вселенной астрономам удалось увидеть впервые.

По словам авторов работы, обнаруженные особенности у SPT0418-47 делают ее отчасти похожей на Млечный путь. Тем не менее они отмечают, что в процессе развития эта галактика, скорее всего, станет совсем непохожей на нашу и, вероятно, присоединится к классу эллиптических.

Сделанное авторами открытие свидетельствует о том, что ранняя Вселенная, возможно, была не столь хаотична, как считалось, однако как настолько упорядоченная галактика могла сформироваться столь быстро, неясно. С другой стороны, текущая находка перекликается с открытием другого вращающегося диска с красным смещением z = 4,26, а также результатами симуляций. Будущие исследования должны будут помочь ответить на вопрос о том, насколько типичны такие «новорожденные» дисковые галактики и действительно ли они в целом менее хаотичны, чем предсказывалось ранее.

Несколько лет назад группа астрономов обнаружила следы пика образования массивных галактик в первый миллиард лет после эпохи реионизации, что также противоречит современной модели образования галактик, которая не предполагает существования подобных гигантов на ранних этапах существования Вселенной.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию