Dados do DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument) Legacy Imaging Surveys revelaram mais de 1200 novas lentes gravitacionais, aproximadamente dobrando o número de lentes conhecidas. Descoberto usando aprendizado de máquina treinado em dados reais, essas imagens distorcidas e alongadas de galáxias distantes fornecem aos astrônomos uma enxurrada de novos alvos com os quais medir propriedades fundamentais do Universo, como a constante de Hubble, que descreve o Universo em expansão.

Astrônomos em busca de lentes gravitacionais utilizaram o aprendizado de máquina para inspecionar o vasto conjunto de dados conhecido como DESI Legacy Imaging Surveys, descobrindo 1210 novas lentes. Os dados foram coletados no Observatório Interamericano de Cerro Tololo (CTIO) e no Observatório Nacional de Kitt Peak (KPNO), ambos os programas do NOIRLab da National Science Foundation. O ambicioso DESI Legacy Imaging Surveys acaba de lançar seu nono e último lançamento de dados.

Discutido em revistas científicas desde a década de 1930, lentes gravitacionais são produtos da Teoria Geral da Relatividade de Einstein. A teoria diz que um objeto enorme, como um aglomerado de galáxias, pode distorcer o espaço-tempo. Alguns cientistas, incluindo Einstein, previu que esta distorção do espaço-tempo pode ser observável, como um alongamento e distorção da luz de uma galáxia de fundo por um aglomerado de galáxias em primeiro plano. As lentes normalmente aparecem nas imagens como arcos e listras ao redor das galáxias e aglomerados de galáxias em primeiro plano.

Apenas um em cada 10, Espera-se que mil galáxias massivas mostrem evidências de fortes lentes gravitacionais, e localizá-los não é fácil. As lentes gravitacionais permitem aos astrônomos explorar as questões mais profundas do nosso Universo, incluindo a natureza da matéria escura e o valor da constante de Hubble, que define a expansão do Universo. Uma das principais limitações do uso de lentes gravitacionais até agora tem sido o pequeno número delas conhecido.

"Uma enorme galáxia distorce o espaço-tempo ao seu redor, mas geralmente você não percebe esse efeito. Somente quando uma galáxia está escondida diretamente atrás de uma galáxia gigante é possível ver uma lente, "observa o autor principal do estudo, Xiaosheng Huang, da Universidade de San Francisco. "Quando iniciamos este projeto em 2018, havia apenas cerca de 300 lentes fortes confirmadas. "

"Como co-líder do DESI Legacy Surveys, percebi que este seria o conjunto de dados perfeito para pesquisar lentes gravitacionais, "explica o co-autor do estudo David Schlegel, do Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL)." Meu colega Huang tinha acabado de dar uma aula de graduação em aprendizado de máquina na Universidade de San Francisco, e juntos percebemos que esta era uma oportunidade perfeita para aplicar essas técnicas à pesquisa de lentes gravitacionais. "

O estudo de lentes foi possível devido à disponibilidade de dados científicos dos DESI Legacy Imaging Surveys, que foram conduzidos para identificar alvos para as operações do DESI, e do qual o nono e último conjunto de dados acaba de ser lançado. Essas pesquisas compreendem uma combinação única de três projetos que observaram um terço do céu noturno:o Dark Energy Camera Legacy Survey (DECaLS), observado pela Dark Energy Camera (DECam) no telescópio Víctor M. Blanco de 4 metros na CTIO no Chile; a pesquisa de legado de banda z de Mayall (MzLS), pela câmera Mosaic3 no telescópio Nicholas U. Mayall de 4 metros em KPNO; e o Beijing-Arizona Sky Survey (BASS) pela câmera 90Prime no telescópio Bok de 2,3 metros, que pertence e é operado pela Universidade do Arizona e localizado em KPNO.

"Projetamos o projeto de imagem do Legacy Surveys desde o início como uma empresa pública, para que pudesse ser usado por qualquer cientista, "disse o co-autor do estudo Arjun Dey, do NOIRLab da NSF. "Nossa pesquisa já rendeu mais de mil novas lentes gravitacionais, e há, sem dúvida, muitos mais aguardando descoberta.

Os dados do DESI Legacy Imaging Surveys são fornecidos à comunidade astronômica por meio do Astro Data Lab no Community Science and Data Center (CSDC) do NOIRLab. "Fornecer conjuntos de dados prontos para a ciência para descoberta e exploração é fundamental para nossa missão, "disse o diretor do CSDC, Adam Bolton." O DESI Legacy Imaging Surveys é um recurso-chave que pode ser usado por muitos anos pela comunidade de astronomia para investigações como essas. "

Para analisar os dados, Huang e sua equipe usaram o supercomputador do NERSC (National Energy Research Scientific Computer Center) no Berkeley Lab. "As pesquisas DESI Legacy Imaging foram absolutamente cruciais para este estudo; não apenas os telescópios, instrumentos, e instalações, mas também redução de dados e extração de fontes, "explica Huang." A combinação da amplitude e profundidade das observações é incomparável. "

Com a enorme quantidade de dados científicos para trabalhar, os pesquisadores se voltaram para um tipo de aprendizado de máquina conhecido como rede neural residual profunda. Redes neurais são algoritmos de computação que são comparáveis ​​a um cérebro humano e são usados ​​para resolver problemas de inteligência artificial. As redes neurais profundas têm muitas camadas que podem decidir coletivamente se um objeto candidato pertence a um determinado grupo. Para ser capaz de fazer isso, Contudo, as redes neurais devem ser treinadas para reconhecer os objetos em questão.

Com o grande número de candidatos a lentes disponíveis, os pesquisadores podem fazer novas medições de parâmetros cosmológicos, como a constante de Hubble. A chave será detectar uma supernova na galáxia de fundo, que, quando fotografado por uma galáxia em primeiro plano, aparecerá como vários pontos de luz. Agora que os astrônomos sabem quais galáxias mostram evidências de lentes fortes, eles sabem onde pesquisar. Novas instalações, como o Observatório Vera C. Rubin (atualmente em construção no Chile e operado pela NOIRLab), monitorarão objetos como esses como parte de sua missão, permitindo que qualquer supernova seja medida rapidamente por outros telescópios.

Os alunos de graduação desempenharam um papel significativo no projeto desde o seu início. O estudante da Universidade da Califórnia, Andi Gu, disse:"Minha função no projeto me ajudou a desenvolver várias habilidades que acredito serem fundamentais para minha futura carreira acadêmica."

Esta pesquisa foi apresentada no artigo "Descobrindo novas lentes gravitacionais fortes nas pesquisas DESI Legacy Imaging", publicado no The Astrophysical Journal .