Aquí se muestran cuatro de los cuásares con imágenes cuádruples recién descubiertos:Desde la parte superior izquierda y moviéndose en el sentido de las agujas del reloj, los objetos son:GraL J1537-3010 o "Wolf's Paw"; GraL J0659 + 1629 o "Ballesta de Géminis"; GraL J1651-0417 o "Cometa del dragón"; GraL J2038-4008 o "Lente de microscopio". El punto borroso en el medio de las imágenes es la galaxia lente, cuya gravedad divide la luz del cuásar detrás de él de tal manera que se producen cuatro imágenes de cuásar. Al modelar estos sistemas y monitorear cómo las diferentes imágenes varían en brillo a lo largo del tiempo, los astrónomos pueden determinar la tasa de expansión del universo y ayudar a resolver problemas cosmológicos. Las imágenes de Wolf's Paw, Ballesta de Géminis, y Dragon's Kite fueron capturados por Pan-STARRS1 Sky Survey; y la imagen de Microscope Lens fue capturada por Dark Energy Survey. Crédito:The GraL Collaboration
Con la ayuda de técnicas de aprendizaje automático, un equipo de astrónomos ha descubierto una docena de quásares que han sido deformados por una "lente" cósmica natural y divididos en cuatro imágenes similares. Los quásares son núcleos extremadamente luminosos de galaxias distantes alimentadas por agujeros negros supermasivos.
Durante las últimas cuatro décadas, Los astrónomos habían encontrado alrededor de 50 de estos "quásares con imágenes cuádruples, "o quads para abreviar, que ocurren cuando la gravedad de una galaxia masiva que se encuentra frente a un cuásar divide su única imagen en cuatro. El último estudio, que duró solo un año y medio, aumenta el número de estos quads conocidos en aproximadamente un 25 por ciento y demuestra el poder del aprendizaje automático para ayudar a los astrónomos en su búsqueda de estas rarezas cósmicas.
"Los quads son minas de oro para todo tipo de preguntas. Pueden ayudar a determinar la tasa de expansión del universo, y ayudar a abordar otros misterios, como los motores centrales de materia oscura y quásar, '", dice Daniel Stern, autor principal del nuevo estudio y científico investigador del Laboratorio de Propulsión a Chorro, que es administrado por Caltech para la NASA. "No son solo agujas en un pajar, sino navajas del ejército suizo porque tienen muchos usos".
Los resultados, para ser publicado en El diario astrofísico , se hicieron combinando herramientas de aprendizaje automático con datos de varios telescopios terrestres y espaciales, incluida la misión Gaia de la Agencia Espacial Europea; Explorador de estudios infrarrojos de campo amplio de la NASA (o WISE); Observatorio W. M. Keck en Maunakea, Hawai; Observatorio Palomar de Caltech; el Telescopio de Nuevas Tecnologías del Observatorio Europeo Austral en Chile; y el telescopio Gemini South en Chile.
Dilema cosmológico
En años recientes, ha surgido una discrepancia sobre el valor preciso de la tasa de expansión del universo, también conocida como constante de Hubble. Se pueden utilizar dos medios principales para determinar este número:uno se basa en las mediciones de la distancia y la velocidad de los objetos en nuestro universo local, y el otro extrapola la tasa de modelos basados en la radiación distante que quedó del nacimiento de nuestro universo, llamado fondo cósmico de microondas. El problema es que los números no coinciden.
"Hay errores potencialmente sistemáticos en las mediciones, pero eso parece cada vez menos probable, "dice Stern." De manera más tentadora, la discrepancia en los valores podría significar que algo en nuestro modelo del universo está mal y hay nueva física por descubrir ".
Los nuevos quásar quads, que el equipo le dio apodos como Wolf's Paw y Dragon Kite, ayudará en los cálculos futuros de la constante de Hubble y puede aclarar por qué las dos medidas primarias no están alineadas. Los quásares se encuentran entre los objetivos locales y distantes utilizados para los cálculos anteriores, por lo que les dan a los astrónomos una forma de sondear el rango intermedio del universo. Una determinación basada en un cuásar de la constante de Hubble podría indicar cuál de los dos valores es correcto, o, quizás más interesante, podría mostrar que la constante se encuentra en algún lugar entre el valor determinado localmente y el valor distante, un posible signo de física previamente desconocida.
Este diagrama ilustra cómo los cuásares con imágenes cuádruples, o quads para abreviar, se producen en el cielo. La luz de un cuásar lejano, yaciendo a miles de millones de años luz de distancia, está doblada por la gravedad de una galaxia masiva que se encuentra frente a ella, como se ve desde nuestro punto de vista en la Tierra. La curvatura de la luz da como resultado la ilusión de que el quásar se ha dividido en cuatro objetos similares que rodean la galaxia en primer plano. Crédito:R. Hurt (IPAC / Caltech) / The GraL Collaboration
Ilusiones gravitacionales
La multiplicación de imágenes de cuásares y otros objetos en el cosmos ocurre cuando la gravedad de un objeto en primer plano, como una galaxia, dobla y magnifica la luz de los objetos detrás de él. El fenómeno, llamado lente gravitacional, se ha visto muchas veces antes. A veces, los quásares se enfocan en dos imágenes similares; menos comúnmente, están enfocados en cuatro.
"Los quads son mejores que los quásares de doble imagen para los estudios de cosmología, como medir la distancia a los objetos, porque pueden modelarse exquisitamente bien, "dice el coautor George Djorgovski, profesor de astronomía y ciencia de datos en Caltech. "Son laboratorios relativamente limpios para realizar estas medidas cosmológicas".
En el nuevo estudio, los investigadores utilizaron datos de WISE, que tiene una resolución relativamente tosca, para encontrar cuásares probables, and then used the sharp resolution of Gaia to identify which of the WISE quasars were associated with possible quadruply imaged quasars. The researchers then applied machine-learning tools to pick out which candidates were most likely multiply imaged sources and not just different stars sitting close to each other in the sky. Follow-up observations using Keck Observatory's Low Resolution Imaging Spectrometer (LRIS), as well as Palomar Observatory, the New Technology Telescope, and Gemini-South confirmed which of the objects were indeed quadruply imaged quasars lying billions of light-years away.
Humans and Machines Working Together
The first quad found with the help of machine-learning, nicknamed Centaurus' Victory, was confirmed during an all-nighter the team spent at Caltech, with collaborators from Belgium, Francia, and Germany, while using a dedicated computer in Brazil, recalls co-author Alberto Krone-Martins of UC Irvine. The team had been remotely observing their objects using the Keck Observatory.
"Machine learning was key to our study but it is not meant to replace human decisions, " explains Krone-Martins. "We continuously train and update the models in an ongoing learning loop, such that humans and the human expertise are an essential part of the loop. When we talk about 'AI' in reference to machine-learning tools like these, it stands for Augmented Intelligence not Artificial Intelligence."
"Alberto not only initially came up with the clever machine-learning algorithms for this project, but it was his idea to use the Gaia data, something that had not been done before for this type of project, " says Djorgovski.
"This story is not just about finding interesting gravitational lenses, " él dice, "but also about how a combination of big data and machine learning can lead to new discoveries."
