Pierwsze spójne badanie zderzeń galaktyk w rzeczywistych i symulowanych wszechświatach

Po raz pierwszy udało się znaleźć zlewające się pary galaktyk przy użyciu identycznej metody zarówno w symulacjach, jak i obserwacjach prawdziwego Wszechświata, wykorzystując do tego sztuczną inteligencję. Współautorem pionierskiej pracy jest dr William Pearson z Zakładu Astrofizyki Departamentu Badań Podstawowych NCBJ.

Ostatnia Nagroda Nobla pokazała, jak ważną i fascynującą dziedziną jest astrofizyka. Wielu naukowców od lat próbuje odkryć tajemnice Wszechświata, jego przeszłość i przyszłość. Teraz po raz pierwszy udało im się znaleźć zlewające się pary galaktyk przy użyciu identycznej metody zarówno w symulacjach, jak i obserwacjach prawdziwego Wszechświata, wykorzystując do tego sztuczną inteligencję.

W badaniach prowadzonych przez Lingyu Wang (Holenderski Instytut Badań Kosmicznych, SRON), Vicente Rodriguez-Gomez (Instytut Radioastronomii i Astrofizyki, IRyA) oraz Williama J. Pearsona (Narodowe Centrum Badań Jądrowych, NCBJ) zastosowano pionierską metodę identyfikacji zderzających się galaktyk zarówno w symulacjach, jak i w obserwacjach rzeczywistego Wszechświata.

Zderzenia galaktyk nie są niczym nowym, od początku powstania wszechświata galaktyki zderzają się ze sobą, często łącząc się w jedną większą galaktykę. Wiadomo, że większość znanych nam galaktyk uczestniczyła w co najmniej kilku takich zderzeniach w ciągu swojego życia. Proces zderzania się galaktyk trwa zwykle setki milionów lat. To ważny aspekt historii naszego Wszechświata, który możemy zobaczyć też na własne oczy np. dzięki zdjęciom z teleskopu Hubble'a.

Identyfikacja zderzających się galaktyk nie jest jednak prosta. Proces ten możemy badać albo symulując całe wydarzenie i analizując jego przebieg, albo obserwując je w realnym świecie. W przypadku symulacji jest to proste: wystarczy śledzić losy konkretnej galaktyki i sprawdzać, czy i kiedy łączy się z inną galaktyką. W prawdziwym Wszechświecie sprawa jest trudniejsza. Ponieważ zderzenia galaktyk są rzadkie i trwają miliardy lat, w praktyce widzimy tylko jeden "moment" z całego długiego procesu zderzenia. Astronomowie muszą dokładnie zbadać obrazy galaktyk, aby ocenić, czy znajdujące się na nich obiekty wyglądają tak, jakby się zderzały lub niedawno połączyły.

Symulacje można porównać z prowadzeniem kontrolowanych eksperymentów laboratoryjnych. Dlatego są potężnym i użytecznym narzędziem do zrozumienia procesów zachodzących w galaktykach. Dużo więcej wiemy na temat zderzeń symulowanych niż zderzeń zachodzących w prawdziwym Wszechświecie, ponieważ w przypadku symulacji możemy prześledzić cały długotrwały proces zlewania się konkretnej pary galaktyk.. W prawdziwym świecie widzimy tylko jeden etap całego zderzenia.

"Wykorzystując obrazy z symulacji, jesteśmy w stanie wskazać przypadki zderzeń, a następnie wytrenować sztuczną inteligencję (AI), aby była w stanie zidentyfikować galaktyki w trakcie takich zderzeń." – wyjaśnia dr William J. Pearson z Zakładu Astrofizyki NCBJ, współautor badań. "Aby sztuczna inteligencja mogła spełnić swoje zadanie, obrazy symulowanych galaktyk przetworzyliśmy tak, żeby wyglądały, jakby były obserwowane przez teleskop. Naszą AI przetestowaliśmy na innych obrazach z symulacji, a potem zastosowaliśmy ją do analizy obrazów prawdziwego Wszechświata w celu wyszukiwania przypadków łączenia się galaktyk."

W badaniach sprawdzono, jak szanse na prawidłową identyfikację zderzającej się pary galaktyk zależą m.in. od masy galaktyk. Porównywano wyniki oparte na symulacjach i rzeczywistych danych. W przypadku mniejszych galaktyk AI poradziła sobie równie dobrze w przypadku obrazów symulowanych i rzeczywistych. W przypadku większych galaktyk pojawiły się rozbieżności, co pokazuje, że symulacje zderzeń masywnych galaktyk nie są wystarczająco realistyczne i wymagają dopracowania.

Artykuł zatytułowany „Towards a consistent framework of comparing galaxy mergers in observations and simulations” został przyjęty do publikacji w czasopiśmie Astronomy & Astrophysics. Można go znaleźć pod adresem: https://www.aanda.org/component/article?access=doi&doi=10.1051/0004-6361....

Grafika: To zdjęcie pary oddziałujących galaktyk zwanych Arp 273 zostało opublikowane z okazji 21. rocznicy uruchomienia Kosmicznego Teleskopu Hubble'a NASA / ESA. Zniekształcony kształt większej z dwóch galaktyk wykazuje oznaki interakcji pływowych z mniejszą z nich. Uważa się, że mniejsza galaktyka faktycznie przeszła przez większą.

Credit: NASA, ESA and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA)

Informacja dodatkowa
Zakład Astrofizyki NCBJ zajmuje się badaniami w zakresie astrofizyki i astronomii, głównie obserwacyjnej i eksperymentalnej. Prowadzone w Zakładzie Astrofizyki badania dotyczą m.in. kosmologii obserwacyjnej, ewolucji galaktyk, fizyki fal grawitacyjnych i zastosowań sztucznej inteligencji w tych obszarach. Pracownicy Zakładu Astrofizyki zaangażowani są w najnowsze wielkie astronomiczne projekty obserwacyjne, m.in. spektroskopowy przegląd galaktyk w zakresie z~1; eksperymenty poszukujące fal grawitacyjnych LIGO/VIRGO czy też Obserwatorium Very Rubin. Do analizy wciąż rosnących zasobów wielkich danych astronomicznych z tych projektów nowatorskie metody oparte na AI okazują się coraz bardziej niezastąpione.