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    Duplicar el número de lentes gravitacionales conocidas

    Ejemplos de lentes gravitacionales que se encuentran en los datos de DESI Legacy Survey. Crédito:KPNO / CTIO / NOIRLab / NSF / AURA / Legacy Imaging Survey

    Los datos de las encuestas de imágenes heredadas DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument) han revelado más de 1200 lentes gravitacionales nuevos, aproximadamente duplicando el número de lentes conocidos. Descubierto usando aprendizaje automático entrenado en datos reales, Estas imágenes deformadas y estiradas de galaxias distantes proporcionan a los astrónomos una avalancha de nuevos objetivos con los que medir las propiedades fundamentales del Universo, como la constante de Hubble, que describe el Universo en expansión.

    Los astrónomos que buscaban lentes gravitacionales utilizaron el aprendizaje automático para inspeccionar el vasto conjunto de datos conocido como DESI Legacy Imaging Surveys. descubriendo 1210 lentes nuevos. Los datos fueron recolectados en el Observatorio Interamericano Cerro Tololo (CTIO) y el Observatorio Nacional Kitt Peak (KPNO), ambos programas del NOIRLab de la National Science Foundation. El ambicioso DESI Legacy Imaging Surveys acaba de tener su noveno y último lanzamiento de datos.

    Discutido en revistas científicas desde la década de 1930, Las lentes gravitacionales son productos de la Teoría de la Relatividad General de Einstein. La teoría dice que un objeto masivo, como un cúmulo de galaxias, puede deformar el espacio-tiempo. Algunos científicos, incluido Einstein, predijo que esta deformación del espacio-tiempo podría ser observable, como un estiramiento y distorsión de la luz de una galaxia de fondo por un cúmulo de galaxias en primer plano. Las lentes suelen aparecer en las imágenes como arcos y rayas alrededor de galaxias y cúmulos de galaxias en primer plano.

    Solo uno de cada 10, Se espera que 000 galaxias masivas muestren evidencia de fuertes lentes gravitacionales, y localizarlos no es fácil. Las lentes gravitacionales permiten a los astrónomos explorar las cuestiones más profundas de nuestro Universo, incluyendo la naturaleza de la materia oscura y el valor de la constante de Hubble, que define la expansión del Universo. Una de las principales limitaciones del uso de lentes gravitacionales hasta ahora ha sido el reducido número de ellas conocidas.

    Un ejemplo de lente gravitacional que se encuentra en los datos de DESI Legacy Surveys. El círculo casi completo en el medio de DESI-015.6763-14.0150 es la imagen de una galaxia de fondo, deformado gravitacionalmente (lente) por la galaxia roja en el centro en un anillo de Einstein casi perfecto. Crédito:KPNO / CTIO / NOIRLab / NSF / AURA / Legacy Imaging Survey

    "Una galaxia masiva deforma el espacio-tiempo a su alrededor, pero normalmente no notas este efecto. Solo cuando una galaxia está oculta directamente detrás de una galaxia gigante es posible ver una lente, "señala el autor principal del estudio, Xiaosheng Huang de la Universidad de San Francisco. "Cuando comenzamos este proyecto en 2018, sólo había unas 300 lentes fuertes confirmadas ".

    "Como colíder de las encuestas DESI Legacy Surveys, me di cuenta de que este sería el conjunto de datos perfecto para buscar lentes gravitacionales, "explica el coautor del estudio, David Schlegel, del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (LBNL)." Mi colega Huang acababa de terminar de impartir una clase de pregrado sobre aprendizaje automático en la Universidad de San Francisco. y juntos nos dimos cuenta de que esta era una oportunidad perfecta para aplicar esas técnicas a la búsqueda de lentes gravitacionales ".

    El estudio de lentes fue posible debido a la disponibilidad de datos científicos de las encuestas de imágenes legadas de DESI, que se llevaron a cabo para identificar objetivos para las operaciones de DESI, y del cual se acaba de publicar el noveno y último conjunto de datos. Estas encuestas comprenden una combinación única de tres proyectos que han observado un tercio del cielo nocturno:Dark Energy Camera Legacy Survey (DECaLS), observado por la Cámara de Energía Oscura (DECam) en el Telescopio Víctor M. Blanco de 4 metros en CTIO en Chile; la encuesta de legado de Mayall z-band (MzLS), por la cámara Mosaic3 en el telescopio Nicholas U. Mayall de 4 metros en KPNO; y el Beijing-Arizona Sky Survey (BASS) de la cámara 90Prime en el telescopio Bok de 2,3 metros, que pertenece y es operado por la Universidad de Arizona y está ubicado en KPNO.

    Un ejemplo de lente gravitacional que se encuentra en los datos de DESI Legacy Surveys. Hay cuatro conjuntos de imágenes con lentes en DESI-090.9854-35.9683, correspondientes a cuatro galaxias de fondo distintas:desde el arco rojo gigante más externo hasta el arco azul brillante más interno, dispuestas en cuatro círculos concéntricos. Todos ellos están deformados gravitacionalmente, o reflejados en lentes, por la galaxia naranja en el centro mismo. Crédito:NOIRLab

    "Diseñamos el proyecto de imágenes de Legacy Surveys desde cero como una empresa pública, para que pueda ser utilizado por cualquier científico, "dijo el coautor del estudio, Arjun Dey, de NOIRLab de NSF. "Nuestra encuesta ya ha arrojado más de mil lentes gravitacionales nuevos, y sin duda hay muchos más esperando ser descubiertos.

    Los datos de DESI Legacy Imaging Surveys se envían a la comunidad astronómica a través del Astro Data Lab en el Community Science and Data Center (CSDC) de NOIRLab. "Proporcionar conjuntos de datos preparados para la ciencia para el descubrimiento y la exploración es fundamental para nuestra misión, ", dijo el director del CSDC, Adam Bolton." Las encuestas de imágenes legadas de DESI son un recurso clave que la comunidad astronómica puede utilizar durante años para investigaciones como estas ".

    Para analizar los datos, Huang y su equipo utilizaron la supercomputadora del Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética (NERSC) en Berkeley Lab. "Las encuestas DESI Legacy Imaging Surveys fueron absolutamente cruciales para este estudio; no solo los telescopios, instrumentos e instalaciones, sino también la reducción de datos y la extracción de fuentes, "explica Huang." La combinación de la amplitud y profundidad de las observaciones no tiene paralelo ".

    Crédito:KPNO / CTIO / NOIRLab / NSF / AURA / Legacy Imaging Survey, D. Munizaga, P. Marenfeld, Telescopio espacial Hubble / Observatorio de rayos X Chandra. Música:zero-project - The Lower Dungeons (zero-project.gr).

    Con la enorme cantidad de datos científicos para trabajar, los investigadores recurrieron a un tipo de aprendizaje automático conocido como red neuronal residual profunda. Las redes neuronales son algoritmos informáticos que son algo comparables a un cerebro humano y se utilizan para resolver problemas de inteligencia artificial. Las redes neuronales profundas tienen muchas capas que colectivamente pueden decidir si un objeto candidato pertenece a un grupo en particular. Para poder hacer esto, sin embargo, las redes neuronales deben estar entrenadas para reconocer los objetos en cuestión.

    Con la gran cantidad de candidatos a lentes disponibles ahora, los investigadores pueden realizar nuevas mediciones de parámetros cosmológicos como la constante de Hubble. La clave será detectar una supernova en la galaxia de fondo, cuales, cuando se ve reflejado por una galaxia en primer plano, aparecerá como múltiples puntos de luz. Ahora que los astrónomos saben qué galaxias muestran evidencia de lentes fuertes, saben dónde buscar. Nuevas instalaciones como el Observatorio Vera C. Rubin (actualmente en construcción en Chile y operado por NOIRLab) monitorearán objetos como estos como parte de su misión, permitiendo que cualquier supernova sea medida rápidamente por otros telescopios.

    Un ejemplo de lente gravitacional que se encuentra en los datos de DESI Legacy Surveys. Las dos rayas rojas cerca de la mitad de DESI-010.8534-20.6214 son los arcos con lentes gravitacionales (arcos “rectos”) - imágenes muy ampliadas y estiradas - de las galaxias de fondo. La lente gravitacional responsable de esta deformación es, colectivamente, las dos concentraciones de galaxias naranjas por encima y por debajo de los arcos rectos. Crédito:KPNO / CTIO / NOIRLab / NSF / AURA / Legacy Imaging Survey

    Los estudiantes de pregrado jugaron un papel importante en el proyecto desde su inicio. El estudiante de la Universidad de California, Andi Gu, dijo:"Mi papel en el proyecto me ha ayudado a desarrollar varias habilidades que considero clave para mi futura carrera académica".

    Esta investigación se presentó en el artículo "Descubriendo nuevas lentes gravitacionales fuertes en las encuestas de imágenes legadas de DESI" que se publicará en The Diario astrofísico .


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