AI pomaga odkryć 1400 tajemniczych obiektów w 30-letnim archiwum teleskopu Hubble’a

Poszukiwania wspierane przez AI ujawniają 1400 tajemniczych obiektów w 30-letnim archiwum Hubble'a

Przez ponad trzy dekady Kosmiczny Teleskop Hubble'a służył jako główne oko ludzkości na kosmos, rejestrując obrazy, które na nowo zdefiniowały nasze rozumienie narodzin gwiazd, ewolucji galaktyk i ekspansji samego wszechświata. Jednak sama objętość danych generowanych przez obserwatorium od dawna wyprzedza możliwości ludzkich badaczy w zakresie sprawdzania każdej klatki. W przełomowym badaniu opublikowanym w czasopiśmie Astronomy & Astrophysics, zespół astronomów z Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA) wykorzystał najnowocześniejsze narzędzie sztucznej inteligencji do przeszukania tej góry danych, odkrywając blisko 1400 anomalnych obiektów, które wcześniej umknęły detekcji. Skanując 100 milionów wycinków obrazów w zaledwie 60 godzin, naukowcy zademonstrowali, jak uczenie maszynowe może przekształcić stulecia ręcznej pracy w kilka dni obliczeń procesowych.

Wyzwanie Big Data w nowoczesnej astronomii

Hubble Legacy Archive stanowi jedno z najważniejszych repozytoriów informacji naukowych w historii, zawierające dziesiątki tysięcy zestawów danych obejmujących 35 lat obserwacji. Choć archiwum jest kopalnią złota dla badań astrofizycznych, stanowi również zniechęcający problem "igły w stogu siana". Tradycyjnie odkrywanie rzadkich lub anomalnych obiektów — takich jak zderzające się galaktyki czy soczewki grawitacyjne — wymagało od astronomów ręcznego przeglądania obrazów lub polegania na przypadkowych odkryciach podczas niepowiązanych badań. Nawet wraz z pojawieniem się projektów nauki obywatelskiej, w których tysiące wolontariuszy pomagają w klasyfikacji ciał niebieskich, tempo pozyskiwania danych z nowoczesnych teleskopów gwałtownie przekracza granice zbiorowego wysiłku ludzkiego.

Konieczność stosowania zautomatyzowanych systemów nigdy nie była bardziej paląca. W miarę jak teleskopy stają się potężniejsze, a przeglądy nieba bardziej kompleksowe, "stóg siana" nie jest już tylko wielki; on rośnie w tempie wykładniczym. Badacze David O’Ryan i Pablo Gómez z ESA uznali, że aby znaleźć najbardziej "osobliwe" i istotne naukowo wartości odstające w danych Hubble'a, potrzebują metodologii łączącej subtelne rozpoznawanie wzorców ludzkiego mózgu z nieubłaganą prędkością nowoczesnych procesorów. Doprowadziło to do opracowania wyrafinowanego nowego narzędzia zaprojektowanego specjalnie do polowania na to, co niezwykłe.

Metodologia: 100 milionów obrazów w 60 godzin

Aby uporać się z zaległościami w archiwach, zespół opracował sieć neuronową — architekturę AI zainspirowaną biologicznymi strukturami ludzkiego mózgu — którą nazwali AnomalyMatch. W przeciwieństwie do standardowych algorytmów zaprogramowanych do wyszukiwania konkretnych, dobrze zdefiniowanych obiektów, takich jak gwiazdy czy galaktyki spiralne, AnomalyMatch została wytrenowana do rozpoznawania "dziwności". Poszukuje ona wzorców odbiegających od normy, takich jak zaburzone symetrie, nietypowe gazowe wypustki czy zniekształcone sygnatury świetlne. Sieć neuronowa została wdrożona do przeskanowania blisko 100 milionów wycinków obrazów z Hubble Legacy Archive, co stanowi pierwszy przypadek systematycznego przeszukania całej kolekcji pod kątem anomalii astrofizycznych.

Wydajność AI była zdumiewająca. To, co zespołowi profesjonalnych astronomów zajęłoby dziesięciolecia ręcznego sprawdzania, zostało ukończone przez AnomalyMatch w zaledwie dwa i pół dnia. Badacze podkreślili jednak, że AI nie działa w izolacji. Gdy algorytm oznaczył potencjalnych kandydatów, O’Ryan i Gómez osobiście sprawdzili źródła o wysokim prawdopodobieństwie, aby zweryfikować ich autentyczność. To podejście typu "człowiek w pętli" (human-in-the-loop) gwarantuje, że prędkość AI jest korygowana przez wiedzę doświadczonych naukowców, odfiltrowując cyfrowe artefakty lub szumy kamery, które mogłyby oszukać mniej zaawansowany system.

Katalogowanie „osobliwych” odkryć

Poszukiwania przyniosły skarbnicę 1400 anomalnych obiektów, z których aż 800 nigdy wcześniej nie zostało udokumentowanych w literaturze naukowej. Katalog obejmuje różnorodną gamę kosmicznych rzadkości, które rzucają wyzwanie naszym wizualnym oczekiwaniom wobec kosmosu. Wśród znalezisk znalazły się:

• Kolizyjne galaktyki pierścieniowe: Rzadkie struktury powstające, gdy jedna galaktyka przelatuje przez środek drugiej, tworząc falę formowania się gwiazd.
• Soczewki i łuki grawitacyjne: Przypadki, w których grawitacja masywnego obiektu na pierwszym planie zakrzywia światło odleglejszej galaktyki w kręgi lub wydłużone łuki.
• Galaktyki meduzy: Układy z długimi, gazowymi "mackami", które są odrywane podczas przemieszczania się przez ośrodek międzygalaktyczny.
• Dyski protoplanetarne widziane od krawędzi: Rozwijające się układy słoneczne, które widziane z boku przypominają "hamburgery" lub "motyle".

Dlaczego anomalie mają znaczenie dla nauki

W dziedzinie astrofizyki wartości odstające są często ważniejsze niż średnie. Podczas gdy standardowe galaktyki mówią nam, jak wszechświat zachowuje się przez większość czasu, anomalie mówią nam, jak zachowuje się w ekstremalnych warunkach. „Obserwacje archiwalne z Kosmicznego Teleskopu Hubble'a sięgają obecnie 35 lat wstecz, zapewniając skarbnicę danych, w których można znaleźć anomalie astrofizyczne” — zauważył David O’Ryan, główny autor badania. Te „osobliwe” obiekty dostarczają krytycznych punktów danych do testowania teorii grawitacji, ciemnej materii i ewolucji galaktyk. Na przykład rzadka soczewka grawitacyjna może działać jak naturalny teleskop, pozwalając badaczom zaglądać dalej w przeszłość, niż byłoby to możliwe w inny sposób.

Ponadto odkrycia te stanowią mapę drogową dla przyszłych obserwacji. Dzięki zidentyfikowaniu tych 1400 obiektów już teraz, społeczność naukowa może nadać im priorytet w badaniach uzupełniających z użyciem bardziej zaawansowanych instrumentów, takich jak Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST). Zrozumienie, dlaczego galaktyka przybrała kształt „meduzy” lub dlaczego dysk gwiazdotwórczy wydaje się asymetryczny, może doprowadzić do przełomów w naszym rozumieniu dynamiki płynów gazu w głębokim kosmosie i cykli życia gwiazd.

Przyszłość badań archiwalnych

Sukces narzędzia AnomalyMatch ma głębokie konsekwencje dla przyszłości eksploracji kosmosu. Obecnie wchodzimy w erę „astronomii przeglądowej”, w której nowe placówki, takie jak teleskop kosmiczny Euclid należący do ESA oraz Obserwatorium Very C. Rubin, będą generować petabajty danych. Euclid, który rozpoczął swój przegląd w 2023 roku, ma za zadanie zmapowanie miliardów galaktyk na jednej trzeciej nieba. Bez narzędzi AI, takich jak to opracowane przez O’Ryana i Gómeza, duża część najciekawszych danych z tych misji prawdopodobnie pozostałaby pogrzebana w cyfrowych archiwach przez pokolenia.

Współautor badania Pablo Gómez podkreślił szerszą użyteczność ich pracy, stwierdzając: „To fantastyczne wykorzystanie AI do maksymalizacji naukowego urobku z archiwum Hubble'a. Znalezienie tak wielu anomalnych obiektów w danych Hubble'a, gdzie można by się spodziewać, że wiele już znaleziono, to świetny wynik”. Metodologia zespołu służy jako dowód koncepcji, który można zastosować w nadchodzącym Kosmicznym Teleskopie Nancy Grace Roman, którego start zaplanowano na 2027 rok, a który zapewni jeszcze szersze pole widzenia wszechświata w podczerwieni.

Nowy paradygmat odkryć

Idąc naprzód, relacja między astronomami a sztuczną inteligencją ewoluuje od prostej automatyzacji do głębokiej współpracy. AI działa jako „druga para oczu”, zdolna do dostrzegania wzorców w szumie, które ludzkie oko mogłoby przeoczyć z powodu zmęczenia lub błędów poznawczych. Uwalniając naukowców od mechanicznego zadania sortowania milionów obrazów, narzędzia te pozwalają badaczom skupić się na analizie wysokiego poziomu i pracach teoretycznych, które napędzają dziedzinę do przodu.

Odkrycie tych 1400 obiektów przypomina, że „Wielkie Obserwatoria”, takie jak Hubble, wciąż mają wiele tajemnic do wyjawienia. Nawet gdy wystrzeliwujemy nowsze, potężniejsze teleskopy, dane, które już zebraliśmy, pozostają żywotną granicą. W połączeniu 30-letniego światła i nowoczesnych sieci neuronowych astronomowie znaleźli sposób na upewnienie się, że żadna kosmiczna tajemnica — bez względu na to, jak osobliwa — nie pozostanie ukryta w mroku.