Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Dữ liệu từ Khảo sát hình ảnh kế thừa DESI (Dụng cụ quang phổ năng lượng tối) đã tiết lộ hơn 1200 thấu kính hấp dẫn mới, gần gấp đôi số thấu kính đã biết. Được phát hiện bằng cách sử dụng công nghệ máy học được đào tạo trên dữ liệu thực, những hình ảnh cong vênh và kéo dài của các thiên hà xa xôi này cung cấp cho các nhà thiên văn học một loạt các mục tiêu mới để đo các đặc tính cơ bản của Vũ trụ, chẳng hạn như hằng số Hubble, mô tả Vũ trụ đang giãn nở.
Dữ liệu từ Khảo sát hình ảnh kế thừa DESI (Dụng cụ quang phổ năng lượng tối) đã tiết lộ hơn 1200 thấu kính hấp dẫn mới, gần gấp đôi số thấu kính đã biết. Được phát hiện bằng cách sử dụng công nghệ máy học được đào tạo dựa trên dữ liệu thực, những hình ảnh cong vênh và kéo dài của các thiên hà xa xôi này cung cấp cho các nhà thiên văn học một loạt các mục tiêu mới để đo các đặc tính cơ bản của Vũ trụ, chẳng hạn như hằng số Hubble, mô tả Vũ trụ đang giãn nở.
Các nhà thiên văn đang săn lùng thấu kính hấp dẫn đã sử dụng máy học để kiểm tra tập dữ liệu khổng lồ được gọi là Khảo sát hình ảnh kế thừa DESI, khám phá ra 1210 thấu kính mới. Dữ liệu được thu thập tại Đài quan sát liên Mỹ Cerro Tololo (CTIO) và Đài quan sát quốc gia Kitt Peak (KPNO), cả hai Chương trình của NOIRLab của Quỹ Khoa học Quốc gia. Cuộc khảo sát hình ảnh kế thừa DESI đầy tham vọng vừa có bản phát hành dữ liệu thứ chín và cuối cùng.
Được thảo luận trên các tạp chí khoa học từ những năm 1930, thấu kính hấp dẫn là sản phẩm của Thuyết Tương đối Tổng quát của Einstein. Lý thuyết nói rằng một vật thể khổng lồ, chẳng hạn như một cụm thiên hà, có thể làm cong không thời gian. Một số nhà khoa học, bao gồm cả Einstein, dự đoán rằng sự cong vênh của không thời gian này có thể quan sát được, như một sự kéo dài và biến dạng của ánh sáng từ một thiên hà nền bởi một cụm thiên hà tiền cảnh. Các thấu kính thường xuất hiện trong hình ảnh dưới dạng vòng cung và vệt quanh các thiên hà tiền cảnh và các cụm thiên hà.
Chỉ 1 trong số 10.000 thiên hà lớn được cho là có bằng chứng về thấu kính hấp dẫn mạnh [1], và việc xác định vị trí của chúng không hề dễ dàng. Các thấu kính hấp dẫn cho phép các nhà thiên văn khám phá những câu hỏi sâu sắc nhất về Vũ trụ của chúng ta, bao gồm bản chất của vật chất tối và giá trị của hằng số Hubble, định nghĩa sự giãn nở của Vũ trụ. Một hạn chế lớn của việc sử dụng thấu kính hấp dẫn cho đến nay là số lượng chúng được biết đến rất ít.
“Một thiên hà khổng lồ làm cong không thời gian xung quanh nó, nhưng thông thường bạn không nhận thấy hiệu ứng này. Chỉ khi một thiên hà ẩn ngay sau một thiên hà khổng lồ thì một ống kính mới có thể nhìn thấy”, tác giả chính của nghiên cứu, Xiaosheng Huang từ Đại học San Francisco chia sẻ. “Khi chúng tôi bắt đầu dự án này vào năm 2018, chỉ có khoảng 300 thấu kính mạnh được xác nhận.”
Đồng tác giả nghiên cứu David Schlegel thuộc Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley (LBNL) giải thích: “Với tư cách là đồng lãnh đạo trong Khảo sát Di sản DESI, tôi nhận thấy đây sẽ là tập dữ liệu hoàn hảo để tìm kiếm thấu kính hấp dẫn. “Đồng nghiệp Huang của tôi vừa hoàn thành khóa học đại học về máy học tại Đại học San Francisco, và chúng tôi cùng nhau nhận ra rằng đây là cơ hội hoàn hảo để áp dụng những kỹ thuật đó vào việc tìm kiếm thấu kính hấp dẫn.”
Nghiên cứu thấu kính có thể thực hiện được vì có dữ liệu sẵn sàng cho khoa học từ Khảo sát hình ảnh kế thừa của DESI, được thực hiện để xác định mục tiêu cho hoạt động của DESI và từ đó tập dữ liệu thứ chín và cuối cùng vừa được phát hành. Các cuộc khảo sát này bao gồm sự kết hợp độc đáo của ba dự án đã quan sát được một phần ba bầu trời đêm: Khảo sát Di sản Máy ảnh Năng lượng Tối (DECaLS), được quan sát bởi Máy ảnh Năng lượng Tối (DECam) trên Kính viễn vọng 4 mét Víctor M. Blanco tại CTIO trong nước chi Lê; Khảo sát Di sản Mayall z-band (MzLS) [2], bằng máy ảnh Mosaic3 trên Kính viễn vọng 4 mét của Nicholas U. Mayall tại KPNO; và Khảo sát Bầu trời Bắc Kinh-Arizona (BASS) bằng máy ảnh 90Prime trên Kính thiên văn Bok 2,3 mét, thuộc sở hữu và điều hành của Đại học Arizona và đặt tại KPNO.
Đồng tác giả nghiên cứu Arjun Dey, từ NSF’s NOIRLab, cho biết: “Chúng tôi đã thiết kế dự án hình ảnh Legacy Surveys từ đầu như một doanh nghiệp đại chúng, để nó có thể được sử dụng bởi bất kỳ nhà khoa học nào. “Cuộc khảo sát của chúng tôi đã thu được hơn một nghìn thấu kính hấp dẫn mới, và chắc chắn còn nhiều điều đang chờ khám phá nữa.”
Dữ liệu Khảo sát Hình ảnh Kế thừa của DESI được cung cấp cho cộng đồng thiên văn thông qua Phòng thí nghiệm Dữ liệu Astro tại Trung tâm Dữ liệu và Khoa học Cộng đồng (CSDC) của NOIRLab. Giám đốc CSDC Adam Bolton cho biết: “Cung cấp bộ dữ liệu sẵn sàng cho khoa học để khám phá và khám phá là cốt lõi cho sứ mệnh của chúng tôi. “Các Khảo sát Hình ảnh Di sản DESI là một nguồn tài nguyên quan trọng có thể được sử dụng trong nhiều năm tới bởi cộng đồng thiên văn học cho các cuộc điều tra như thế này.”
Để phân tích dữ liệu, Huang và nhóm nghiên cứu đã sử dụng siêu máy tính của Trung tâm Máy tính Khoa học Nghiên cứu Năng lượng Quốc gia (NERSC) tại Phòng thí nghiệm Berkeley. Các Khảo sát Hình ảnh Di sản DESI hoàn toàn quan trọng đối với nghiên cứu này; không chỉ kính thiên văn, dụng cụ và phương tiện mà còn giảm thiểu dữ liệu và trích xuất nguồn. Sự kết hợp giữa chiều rộng và chiều sâu của các quan sát là vô song.
Với lượng dữ liệu khổng lồ sẵn sàng cho khoa học để xử lý, các nhà nghiên cứu đã chuyển sang một loại máy học được gọi là mạng nơ-ron dư sâu. Lưới thần kinh là các thuật toán tính toán có thể so sánh với não người và được sử dụng để giải quyết các vấn đề về trí tuệ nhân tạo. Lưới thần kinh sâu có nhiều lớp có thể quyết định xem đối tượng ứng cử viên có thuộc một nhóm cụ thể hay không. Tuy nhiên, để có thể làm được điều này, các lưới thần kinh phải được đào tạo để nhận ra các đối tượng được đề cập [3].
Với số lượng lớn các thấu kính tiềm năng hiện có trong tay, các nhà nghiên cứu có thể thực hiện các phép đo mới đối với các thông số vũ trụ như hằng số Hubble. Chìa khóa sẽ là phát hiện một siêu tân tinh trong thiên hà nền, mà khi được thấu kính bởi thiên hà tiền cảnh, nó sẽ xuất hiện dưới dạng nhiều điểm ánh sáng. Giờ đây, các nhà thiên văn học đã biết những thiên hà nào cho thấy bằng chứng cho thấu kính mạnh, họ biết phải tìm kiếm ở đâu. Các cơ sở mới như Đài quan sát Vera C. Rubin (hiện đang được xây dựng ở Chile và do NOIRLab vận hành) sẽ theo dõi các vật thể như thế này như một phần trong sứ mệnh của nó, cho phép mọi siêu tân tinh được đo nhanh chóng bằng các kính thiên văn khác.
Sinh viên đại học đã đóng một vai trò quan trọng trong dự án ngay từ đầu. Andi Gu, sinh viên Đại học California cho biết, “Vai trò của tôi trong dự án đã giúp tôi phát triển một số kỹ năng mà tôi tin là chìa khóa cho sự nghiệp học tập trong tương lai của mình.”
Ghi chú
[1] Thấu kính hấp dẫn mạnh là những thấu kính mà hiệu ứng này có thể dễ dàng nhìn thấy ở dạng vòng cung hoặc Vòng Einstein.
[2] băng z có nghĩa là dữ liệu được lấy trong vùng hồng ngoại, tập trung vào bước sóng 900 nm.
[3] Để làm ví dụ, hãy tưởng tượng bạn đang cố gắng huấn luyện một người chưa bao giờ nhìn thấy bầu trời đêm cách nhận ra một ngôi sao. Bạn sẽ phải mô tả các đặc điểm nhất định: nó nhỏ, nó sáng, nó trên nền tối. Nhưng ngay lập tức có những thách thức. Điều gì sẽ xảy ra nếu một số ngôi sao gần nhau? Điều gì sẽ xảy ra nếu bầu trời có một chút mây? Điều gì sẽ xảy ra nếu đối tượng đang nhấp nháy (vì vậy không phải là một ngôi sao, mà là một mặt phẳng)? Rõ ràng là việc xác định một bộ quy tắc rõ ràng để mô tả một đối tượng thực sự rất khó. Tuy nhiên, bất kỳ con người nào đã nhìn thấy bầu trời đêm sẽ có thể nhận ra các ngôi sao khác một khi họ đã nhìn thấy chúng. Đây là thứ mà con người rất giỏi, còn máy tính thì rất tệ. Do đó, sự cần thiết phải đào tạo các lưới thần kinh rất phức tạp để nhận ra các đối tượng mong muốn.
Thêm thông tin
Nghiên cứu này đã được trình bày trong bài báo Khám phá thấu kính hấp dẫn mạnh mới trong Khảo sát hình ảnh di sản DESI xuất hiện trên Tạp chí Vật lý thiên văn (The Astrophysical Journal).
Nhóm nghiên cứu bao gồm X. Huang (Khoa Vật lý và Thiên văn học, Đại học San Francisco), C. Storfer (Khoa Vật lý và Thiên văn học, Đại học San Francisco), A. Gu (Khoa Vật lý, Đại học California, Berkeley ), V. Ravi (Khoa Khoa học Máy tính, Đại học San Francisco), A. Pilon (Khoa Vật lý và Thiên văn, Đại học San Francisco), W. Sheu (Khoa Vật lý, Đại học California, Berkeley), R. Venguswamy (Khoa Vật lý, Đại học California, Berkeley), S. Banka (Khoa Vật lý, Đại học California, Berkeley), A. Dey (NSF’s NOIRLab), M. Landriau (Phòng Vật lý, Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley), D Lang (Bộ phận Vật lý, Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley; Khoa Thiên văn & Vật lý Thiên văn, Đại học Toronto;Viện Vật lý lý thuyết Perimeter, Waterloo), A. Meisner (NSF’s NOIRLab), J. Moustakas (Khoa Vật lý và Thiên văn học, Cao đẳng Siena), A. D. Myers (Khoa Vật lý & Thiên văn, Đại học Wyoming), R. Sajith (Khoa Vật lý, Đại học California, Berkeley), EF Schlafly (NSF’s NOIRLab), và DJ Schlegel (Phòng Vật lý, Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley).
Nguồn truyện:
Tài liệu do Hiệp hội các trường đại học nghiên cứu về thiên văn học (AURA) cung cấp . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa về kiểu dáng và độ dài.
Đa phương tiện liên quan :
Tham khảo Tạp chí :