NUEVA COLECCIÓN DE ESTRELLAS, NO NACIDAS EN NUESTRA GALAXIA, DESCUBIERTAS EN LA VÍA LÁCTEA

Los investigadores de Caltech utilizan el Aprendizaje Profundo y la Supercomputación para identificar Nyx, un producto de una fusión de galaxias de hace mucho tiempo

Una imagen a partir de una simulación de galaxias individuales que se forman, comenzando en un momento en que el Universo tenía solo unos pocos millones de años. 
[Crédito: Grupo de Investigación Hopkins, Caltech]

Resumen

  • Los astrofísicos anunciaron el descubrimiento de Nyx, una nueva colección de 250 estrellas que creen que son el remanente de una galaxia enana que se fusionó con la Vía Láctea hace eones.
  • La investigación combinó simulaciones cosmológicas masivas y datos de observación del observatorio espacial Gaia. Se requieren supercomputadoras a gran escala y algoritmos de aprendizaje profundo.
  • El equipo planea explorar Nyx aún más utilizando telescopios terrestres. La próxima publicación de datos de Gaia en 2021 contendrá información adicional sobre 100 millones de estrellas en el catálogo, lo que hará más probable el descubrimiento de cúmulos acumulados.

Los astrónomos pueden estar toda su carrera sin encontrar un nuevo objeto en el cielo. Pero para Lina Necib, una Investigadora Postdoctoral en Física Teórica en Caltech, el descubrimiento de un grupo de estrellas en la Vía Láctea, pero no nacido de la Vía Láctea, llegó temprano, con un poco de ayuda de las supercomputadoras, el observatorio espacial Gaia y Nuevos métodos de aprendizaje profundo.

Escribiendo en Nature Astronomy esta semana, Necib y sus colaboradores describen Nyx, una nueva y enorme corriente estelar en las proximidades del Sol, que puede proporcionar la primera indicación de que una galaxia enana se había fusionado con el disco de la Vía Láctea. 

Se cree que estas corrientes estelares son cúmulos globulares o galaxias enanas que se han extendido a lo largo de su órbita por las fuerzas de marea antes de ser completamente interrumpidas.

El descubrimiento de Nyx tomó una ruta tortuosa, pero una que refleja la forma multifacética que hoy se estudia la Astronomía y la Astrofísica.

«FIRE» en el cosmos

Necib estudia la cinemática (o movimientos) de las estrellas y la materia oscura en la Vía Láctea. «Si hay grupos de estrellas que se mueven juntas de una manera particular, eso generalmente nos dice que hay una razón por la que se mueven juntas».

Desde 2014, investigadores de Caltech, Northwestern University, UC San Diego y UC Berkeley, entre otras instituciones, han estado desarrollando simulaciones muy detalladas de galaxias realistas como parte de un proyecto llamado FIRE (Feedback In Realistic Environments) . 

Estas simulaciones incluyen todo lo que los científicos saben sobre cómo se forman y evolucionan las galaxias. A partir del equivalente virtual del comienzo de los tiempos, las simulaciones producen galaxias que se parecen y actúan de manera muy parecida a la nuestra.

Mapeando la Vía Láctea

Simultáneamente con el proyecto FIRE, el Observatorio espacial Gaia fue lanzado en 2013 por la Agencia Espacial Europea. Su objetivo es crear un mapa tridimensional extraordinariamente preciso de aproximadamente mil millones de estrellas en toda la galaxia de la Vía Láctea y más allá.

Las simulaciones FIRE y FIRE-2 siguen la región que se convertirá en una galaxia única en la actualidad, rastreando la evolución de la materia oscura y el gas, que finalmente se convierten en estrellas. 
Crédito: Grupo de Investigación Hopkins, Caltech.

«Es el estudio cinemático más grande hasta la fecha. El observatorio proporciona los movimientos de mil millones de estrellas», explicó. «Un subconjunto de él, siete millones de estrellas, tiene velocidades 3D, lo que significa que podemos saber exactamente dónde está una estrella y su movimiento. Hemos pasado de conjuntos de datos muy pequeños a realizar análisis masivos que no podíamos hacer antes para comprender la estructura de la Vía Láctea «.

El descubrimiento de Nyx implicó combinar estos dos grandes proyectos de Astrofísica y analizarlos utilizando métodos de Aprendizaje Profundo (Deep Learning).

Entre las preguntas que ambos abordan, tanto las simulaciones como el sondeo del cielo, está : ¿Cómo se convirtió la Vía Láctea en lo que es hoy?

«Las galaxias se forman al tragarse otras galaxias«, dijo Necib. «Asumimos que la Vía Láctea tenía un historial de fusiones silencioso, y por un tiempo fue preocupante cuán silencioso era porque nuestras simulaciones muestran muchas fusiones. Ahora, con acceso a muchas estructuras más pequeñas, entendemos que no es tan silencioso como parecía.

Es muy poderoso tener todas estas herramientas, datos y simulaciones. Todos ellos deben usarse a la vez para desenredar este problema. Estamos en las primeras etapas de ser capaces de comprender realmente la formación. de la Vía Láctea «.

Aplicando Deep Learning (Aprendizaje Profundo) a Gaia

Un mapa de mil millones de estrellas es una bendición mixta: tanta información, pero casi imposible de analizar por la percepción humana.

«Antes, los astrónomos tenían que mirar y trazar mucho, y tal vez utilizar algunos algoritmos de agrupación. Pero eso ya no es posible«, dijo Necib. «No podemos mirar a siete millones de estrellas y descubrir qué están haciendo. Lo que hicimos en esta serie de proyectos fue utilizar los catálogos simulados de Gaia«.

El catálogo simulado de Gaia, desarrollado por Robyn Sanderson (Universidad de Pennsylvania), esencialmente preguntaba: «Si las simulaciones de FIRE fueran reales y se observaran con Gaia, ¿qué veríamos?»

El colaborador de Necib, Bryan Ostdiek (anteriormente en la Universidad de Oregón y ahora en la Universidad de Harvard), que anteriormente había estado involucrado en el proyecto del Gran Colisionador de Hadrones (LHC), tenía experiencia en el manejo de grandes conjuntos de datos utilizando máquinas y aprendizaje profundo. Transmitir esos métodos a la Astrofísica abrió la puerta a una nueva forma de explorar el Cosmos.

«En el LHC, tenemos simulaciones increíbles, pero nos preocupa que las máquinas entrenadas en ellas puedan aprender la simulación y no la Física real«, dijo Ostdiek. «De manera similar, las simulaciones de galaxias FIRE proporcionan un entorno maravilloso para entrenar a nuestros modelos, pero no son la Vía Láctea. Tuvimos que aprender no solo qué podría ayudarnos a identificar las estrellas interesantes en la simulación, sino también cómo hacer que esto suceda, generalizar a nuestra galaxia real «.

El equipo desarrolló un método para rastrear los movimientos de cada estrella en las galaxias virtuales y etiquetar las estrellas como nacidas en la galaxia anfitriona o acrecentadas como productos de las fusiones de galaxias. Los dos tipos de estrellas tienen firmas diferentes, aunque las diferencias son a menudo sutiles. Estas etiquetas se usaron para entrenar el modelo de aprendizaje profundo, que luego se probó en otras simulaciones de FIRE.

Después de que construyeron el catálogo, lo aplicaron a los datos de Gaia. «Le preguntamos a la red neuronal: ‘En base a lo que has aprendido, ¿puedes etiquetar si las estrellas fueron acrecentadas o no?’«, Dijo Necib.

El modelo calificó la confianza de que una estrella nació fuera de la Vía Láctea en un rango de 0 a 1. El equipo creó un límite con tolerancia al error y comenzó a explorar los resultados.

Este enfoque de aplicar un modelo entrenado en un conjunto de datos y aplicarlo a otro diferente pero relacionado, se llama aprendizaje de transferencia y puede estar lleno de desafíos.

Verificando el procedimiento

 «Necesitábamos asegurarnos de que no estamos aprendiendo cosas artificiales sobre la simulación, sino realmente lo que está sucediendo en los datos«, dijo Necib. «Para eso, tuvimos que darle un poco de ayuda y decirle que volviera a pesar ciertos elementos conocidos para darle un poco de anclaje«.

Primero verificaron si podía identificar características conocidas de la galaxia. Estos incluyen «la salchicha Gaia«, los restos de una galaxia enana que se fusionó con la Vía Láctea hace unos seis o diez mil millones de años y que tiene una forma orbital distintiva de salchicha.

«Tiene una firma muy específica», explicó. «Si la red neuronal funcionara como se supone que debería hacerlo, deberíamos ver esta enorme estructura que ya sabemos que existe».

La salchicha Gaia estaba allí, al igual que el halo estelar, estrellas de fondo que le dan a la Vía Láctea su forma reveladora, y la corriente Helmi, otra galaxia enana conocida que se fusionó con la Vía Láctea en el pasado distante y fue descubierta en 1999.

Primer avistamiento: Nyx

El modelo identificó otra estructura en el análisis: un grupo de 250 estrellas, girando con el disco de la Vía Láctea, pero también yendo hacia el centro de la galaxia.

«Tu primer instinto es que tienes un error«, relató Necib. «Y piensas, ‘¡Oh, no!‘ Entonces, no le conté a ninguno de mis colaboradores durante tres semanas. Luego comencé a darme cuenta de que no es un error, en realidad es real y es nuevo «.

Pero, ¿y si ya se hubiera descubierto? «Empiezas a leer la literatura, asegurándote de que nadie la haya visto y, por suerte para mí, nadie la ha visto. Así que tuve que nombrarlo, que es lo más emocionante de la Astrofísica. Lo llamé Nyx, la diosa griega de la noche Esta estructura particular es muy interesante porque hubiera sido muy difícil de ver sin el aprendizaje automático».

El proyecto requirió computación avanzada en muchas etapas diferentes. 

El FIRE y las simulaciones actualizadas de FIRE-2 se encuentran entre los modelos informáticos más grandes de galaxias jamás intentados. 

Cada una de las nueve simulaciones principales, tres formaciones de galaxias separadas, cada una con un punto de partida ligeramente diferente para el Sol, tomó meses para computar en las supercomputadoras más grandes y rápidas del mundo. 

Estas incluyen Blue Waters en el Centro Nacional de Aplicaciones de Supercomputación (NCSA), las Instalaciones de Computación de Alta Gama de la NASA y, más recientemente, Stampede2 en el Centro de Computación Avanzada de Texas (TACC).

Los investigadores utilizaron grupos en la Universidad de Oregon para entrenar el modelo de aprendizaje profundo y aplicarlo al conjunto de datos masivo de Gaia. Actualmente están utilizando Frontera, el sistema más rápido de cualquier universidad del mundo, para continuar el trabajo.

«Todo lo relacionado con este proyecto es computacionalmente muy intenso y no sería posible sin una computación a gran escala«, dijo Necib.

Pasos futuros

Necib y su equipo planean explorar Nyx aún más utilizando telescopios terrestres. Esto proporcionará información sobre la composición química de la corriente y otros detalles que los ayudarán a fechar la llegada de Nyx a la Vía Láctea y posiblemente proporcionarán pistas sobre su origen.

La próxima publicación de datos de Gaia en 2021 contendrá información adicional sobre 100 millones de estrellas en el catálogo, lo que hará más probable el descubrimiento de cúmulos acretados.

«Cuando comenzó la misión Gaia, los astrónomos sabían que era uno de los conjuntos de datos más grandes que iban a obtener, con mucho de qué emocionarse», dijo Necib. «Pero necesitábamos desarrollar nuestras técnicas para adaptarnos al conjunto de datos. Si no cambiáramos o actualizáramos nuestros métodos, nos perderíamos la Física que está en nuestro conjunto de datos«.

Los éxitos del enfoque del equipo de Caltech pueden tener un impacto aún mayor. «Estamos desarrollando herramientas computacionales que estarán disponibles para muchas áreas de investigación y también para cosas no relacionadas con la investigación», dijo. «Así es como empujamos la frontera tecnológica en general».

Fuente: Texas Advanced Computing CenterThe University of Texas at Austin.

Artículo original: NEW COLLECTION OF STARS, NOT BORN IN OUR GALAXY, DISCOVERED IN MILKY WAY. Aaron Dubrow. July 7, 2020.

Material relacionado:

Agrandar imagenUsando datos del segundo lanzamiento de Gaia, los astrónomos han medido el movimiento de 75 cúmulos globulares en el halo de la Vía Láctea y de 12 galaxias enanas que orbitan alrededor de la Galaxia. Las líneas indican las órbitas de estas colecciones estelares, calculadas a partir de las medidas de Gaia de los movimientos propios (el verdadero movimiento en el cielo) de muchas estrellas en cada uno de estos cúmulos y galaxias. Usando la más lejana de estas galaxias, Leo II, ubicada a 840,000 años luz de distancia, los astrónomos pudieron derivar un límite inferior para la masa de nuestra galaxia, que asciende a un billón (10 12 ) de veces la masa del Sol. Este valor está de acuerdo con mediciones anteriores e indica que la Vía Láctea contiene aproximadamente 20 veces más masa de lo que podemos ver en estrellas y gas, lo que es evidencia de la presencia de la esquiva materia oscura.
Créditos:  Gaia Data Processing and Analysis Consortium (DPAC); A. Helmi / M. Breddels, Instituto Astronómico Kapteyn, Universidad de Groningen, Países Bajos; F. van Leeuwen, Universidad de Cambridge, Reino Unido; P. Mc Millán, Observatorio de Lund, Suecia. Más información

Sobre la misión GAIA y el trazado del mapa de la Vía Láctea más preciso hasta el momento, el lector puede consultar el siguiente artículo, que contiene además en su apartado «Material relacionado» una rica selección de recursos sobre dichos temas:

Sobre «la Salchicha de GAIA«

Una impresión del encuentro entre la galaxia de la Vía Láctea y la galaxia Sausage más pequeña hace aproximadamente 8 mil millones a 10 mil millones de años. 
El registro de este antiguo encuentro aún se conserva en las velocidades y la química de las estrellas.

Crédito: V. Belokurov (Cambridge, Reino Unido y CCA, Nueva York, EE. UU.) Basado en la imagen de ESO / Juan Carlos Muñoz.

Un equipo internacional de astrónomos, descubrió una antigua y dramática colisión frontal entre la Vía Láctea y un objeto más pequeño, llamada la galaxia «Salchicha». El choque cósmico fue un evento definitorio en la historia temprana de la Vía Láctea y reformó la estructura de nuestra galaxia, formando tanto su bulto interno como su halo externo, informan los astrónomos en una serie de nuevos documentos:

Otra colisión de una galaxia con la Vía Láctea

La animación muestra un esquema de las órbitas de tres estrellas dentro de nuestra galaxia, la Vía Láctea, cuya extensión está marcada por la línea discontinua, como se ve desde arriba (izquierda) y de lado (derecha), proyectada en los próximos 500 millones. años. Las tres estrellas son: nu Indi, el tema del artículo de Nature Astronomy; una estrella acretada (capturada) de Gaia-Encélado (después de su colisión con la Vía Láctea); y el Sol. La estrella acretada vino de fuera de la Galaxia, como parte de la colisión Gaia-Encélado, y también tiene una órbita muy alargada. La colisión afectó el movimiento y la órbita de nu Indi. Observe cómo su órbita es bastante diferente a la del Sol.
Crédito: J. T. Mackereth

Una sola estrella ha proporcionado información sobre la colisión de la Vía Láctea con la galaxia enana Gaia-Encélado. El evento probablemente tuvo lugar hace aproximadamente 11.500 millones de años:

Sobre el Aprendizaje Profundo (Deep Learning)

El robot sostiene un dedo cerca de la cabeza. 
Ilustración 3D.

 Crédito: Tatiana Shepeleva.

Uno de los desarrollos recientes más importantes en Inteligencia Artificial es el Aprendizaje Automático. Al buscar patrones en grandes cantidades de datos, los algoritmos aprenden a realizar tareas que solían estar reservadas exclusivamente para humanos, desde reconocer el habla hasta hacer diagnósticos médicos. 

En esta serie de artículos, Chris Budd analiza el aprendizaje automático, su historia y algunas de las preguntas morales que plantea:

Sobre las Supercomputadoras:

Supercomputadora Sierra en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore en California.
Crédito: Laboratorio Nacional Lawrence Livermore.

El Laboratorio Nacional Lawrence Livermore es el hogar de varias supercomputadoras, incluida Sierra, la segunda más rápida del mundo. Nos detuvimos para descubrir cómo estas computadoras sobrealimentadas manejan todo, desde pruebas de armas nucleares virtuales hasta modelado del clima:

Stampede2 de TACC es la supercomputadora insignia del 
Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE), un único sistema virtual que los científicos pueden usar para compartir interactivamente recursos informáticos, datos y experiencia. Más información
.
Crédito: Centro de Computación Avanzada de Texas (TACC) / Universidad de Texas en Austin.

El Centro de Computación Avanzada de Texas (TACC) en la Universidad de Texas en Austin lanzó hoy Frontera, la supercomputadora más rápida en cualquier universidad y el quinto sistema más poderoso del mundo. 

TACC también es el hogar de Stampede2, la segunda supercomputadora más rápida en cualquier universidad estadounidense. El lanzamiento de Frontera solidifica a UT Austin entre los líderes académicos mundiales en supercomputación:

Texas Boosts U.S. Science with Fastest Academic Supercomputer in the World.

Curiosidades:

Las colisiones de Sagitario desencadenan la formación de estrellas en la Vía Láctea.
La galaxia enana de Sagitario ha estado orbitando la Vía Láctea durante miles de millones de años. A medida que su órbita alrededor de las 10 000 Vías Lácteas masivas se apretó gradualmente, comenzó a chocar con el disco de nuestra galaxia. 
Las tres colisiones conocidas entre Sagitario y la Vía Láctea, según un nuevo estudio, han desencadenado episodios importantes de formación estelar, uno de los cuales puede haber dado lugar al Sistema Solar.
Crédito: ESA. 

Los astrónomos han sabido que Sagitario golpea repetidamente el disco de la Vía Láctea, ya que su órbita alrededor del núcleo de la galaxia se tensa como resultado de las fuerzas gravitacionales. 

Estudios anteriores sugirieron que Sagitario, una llamada galaxia enana, había tenido un profundo efecto sobre cómo se mueven las estrellas en la Vía Láctea. Algunos incluso afirman  que la estructura espiral característica de la 10 000 veces más masiva Vía Láctea podría ser el resultado de al menos tres choques conocidos con Sagitario en los últimos seis mil millones de años.

Un nuevo estudio, basado en datos recopilados por la potencia de mapeo de galaxias de Gaia de la ESA , reveló por primera vez que la influencia de Sagitario en la Vía Láctea puede ser aún más sustancial. 

Las ondas causadas por las colisiones parecen haber desencadenado episodios importantes de formación estelar, uno de los cuales coincidió aproximadamente con el momento de la formación del Sol hace unos 4.700 millones de años.

El siguente artículo lo presenta y contieniendo además en su apartado «Material relacionado una selección de recursos sobre el tema:

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