Koleksi baru bintang-bintang, tidak dilahirkan di galaksi kita, ditemukan di Bima Sakti – Sains Terkini

Para astronom dapat menjalani seluruh karir mereka tanpa menemukan objek baru di langit. Tetapi bagi Lina Necib, seorang sarjana postdoctoral dalam fisika teoretis di Caltech, penemuan gugusan bintang di Bima Sakti, tetapi bukan lahir dari Bima Sakti, datang lebih awal – dengan sedikit bantuan dari superkomputer, observatorium ruang angkasa Gaia, dan metode pembelajaran mendalam baru.

Menulis di Astronomi Alam minggu ini, Necib dan kolaboratornya menggambarkan Nyx, aliran bintang besar baru di sekitar Matahari, yang dapat memberikan indikasi pertama bahwa galaksi kerdil telah bergabung dengan disk Bima Sakti. Aliran bintang ini dianggap sebagai kluster globular atau galaksi kerdil yang telah membentang di sepanjang orbitnya oleh kekuatan pasang surut sebelum benar-benar terganggu.

Penemuan Nyx mengambil rute berputar-putar, tetapi yang mencerminkan cara beragam astronomi dan astrofisika dipelajari hari ini.

KEBAKARAN di Kosmos

Necib mempelajari kinematika – atau gerakan – bintang dan materi gelap di Bima Sakti. "Jika ada gumpalan bintang yang bergerak bersama dengan cara tertentu, itu biasanya memberi tahu kita bahwa ada alasan mereka bergerak bersama."

Sejak 2014, para peneliti dari Caltech, Northwestern University, UC San Diego dan UC Berkeley, di antara lembaga-lembaga lain, telah mengembangkan simulasi sangat rinci dari galaksi realistis sebagai bagian dari proyek yang disebut KEBAKARAN (Umpan Balik Dalam Lingkungan Realistis). Simulasi ini mencakup semua yang diketahui para ilmuwan tentang bagaimana galaksi terbentuk dan berevolusi. Mulai dari padanan maya dari permulaan waktu, simulasi menghasilkan galaksi yang terlihat dan bertindak seperti galaksi kita.

Memetakan Bima Sakti

Bersamaan dengan proyek FIRE, observatorium ruang angkasa Gaia diluncurkan pada 2013 oleh Badan Antariksa Eropa. Tujuannya adalah untuk membuat peta tiga dimensi yang luar biasa tepat dari sekitar satu miliar bintang di seluruh galaksi Bima Sakti dan sekitarnya.


"Ini adalah studi kinematik terbesar hingga saat ini. Observatorium menyediakan gerakan satu miliar bintang," jelasnya. "Sebagian dari itu, tujuh juta bintang, memiliki kecepatan 3D, yang berarti bahwa kita dapat mengetahui dengan tepat di mana bintang berada dan gerakannya. Kami telah beralih dari kumpulan data yang sangat kecil ke melakukan analisis besar-besaran yang tidak dapat kami lakukan sebelumnya untuk memahami struktur Bima Sakti. "

Penemuan Nyx melibatkan menggabungkan dua proyek astrofisika utama ini dan menganalisisnya menggunakan metode pembelajaran yang mendalam.

Di antara pertanyaan-pertanyaan yang menjadi simulasi dan alamat survei langit adalah: Bagaimana Bima Sakti menjadi seperti sekarang ini?

"Galaksi terbentuk dengan menelan galaksi lain," kata Necib. "Kami berasumsi bahwa Bima Sakti memiliki sejarah merger yang tenang, dan untuk sementara itu menyangkut betapa sepinya itu karena simulasi kami menunjukkan banyak merger. Sekarang, dengan akses ke banyak struktur yang lebih kecil, kami memahami bahwa itu bukan "Tenang seperti kelihatannya. Sangat kuat untuk memiliki semua alat ini, data dan simulasi. Semuanya harus digunakan sekaligus untuk mengurai masalah ini. Kita berada pada tahap awal untuk dapat benar-benar memahami formasi dari Bima Sakti. "

Menerapkan Pembelajaran Mendalam untuk Gaia

Peta satu miliar bintang adalah anugerah campuran: begitu banyak informasi, tetapi hampir tidak mungkin diurai oleh persepsi manusia.

"Sebelumnya, para astronom harus melakukan banyak pencarian dan perencanaan, dan mungkin menggunakan beberapa algoritma pengelompokan. Tetapi itu tidak benar-benar mungkin lagi," kata Necib. "Kita tidak bisa menatap tujuh juta bintang dan mencari tahu apa yang mereka lakukan. Apa yang kita lakukan dalam seri proyek ini adalah menggunakan katalog tiruan Gaia."

Katalog tiruan Gaia, yang dikembangkan oleh Robyn Sanderson (University of Pennsylvania), pada dasarnya bertanya: 'Jika simulasi KEBAKARAN nyata dan diamati dengan Gaia, apa yang akan kita lihat?'

Kolaborator Necib, Bryan Ostdiek (sebelumnya di University of Oregon, dan sekarang di Harvard University), yang sebelumnya terlibat dalam proyek Large Hadron Collider (LHC), memiliki pengalaman berurusan dengan dataset besar menggunakan mesin dan pembelajaran yang mendalam. Memadukan metode-metode itu ke astrofisika membuka pintu ke cara baru untuk menjelajahi kosmos.

"Di LHC, kami memiliki simulasi yang luar biasa, tetapi kami khawatir mesin yang dilatih pada mereka dapat mempelajari simulasi dan bukan fisika nyata," kata Ostdiek. "Dengan cara yang sama, galaksi-galaksi KEBAKARAN menyediakan lingkungan yang indah untuk melatih model kita, tetapi mereka bukan Bimasakti. Kita harus belajar tidak hanya apa yang dapat membantu kita mengidentifikasi bintang-bintang yang menarik dalam simulasi, tetapi juga bagaimana membuat ini menggeneralisasi ke galaksi kita yang sebenarnya. "

Tim mengembangkan metode pelacakan pergerakan setiap bintang di galaksi virtual dan memberi label bintang-bintang sebagai salah satu yang lahir di galaksi inang atau bertambah sebagai produk dari penggabungan galaksi. Kedua jenis bintang ini memiliki tanda tangan yang berbeda, meskipun perbedaannya seringkali tidak kentara. Label-label ini digunakan untuk melatih model pembelajaran yang mendalam, yang kemudian diuji pada simulasi KEBAKARAN lainnya.

Setelah mereka membuat katalog, mereka menerapkannya pada data Gaia. "Kami bertanya pada jaringan saraf, 'Berdasarkan apa yang telah Anda pelajari, dapatkah Anda memberi label apakah bintang-bintang itu bertambah atau tidak?'" Kata Necib.

Model peringkat seberapa percaya diri bahwa bintang lahir di luar Bima Sakti pada rentang 0 hingga 1. Tim menciptakan cutoff dengan toleransi untuk kesalahan dan mulai mengeksplorasi hasilnya.

Pendekatan ini menerapkan model yang dilatih pada satu dataset dan menerapkannya ke yang berbeda tetapi terkait disebut transfer belajar dan bisa penuh dengan tantangan. "Kami perlu memastikan bahwa kami tidak belajar hal-hal buatan tentang simulasi, tetapi benar-benar apa yang terjadi dalam data," kata Necib. "Untuk itu, kami harus memberikan sedikit bantuan dan menyuruhnya untuk menimbang elemen tertentu yang dikenal untuk memberinya sedikit jangkar."

Mereka pertama-tama memeriksa untuk melihat apakah ia dapat mengidentifikasi fitur-fitur galaksi yang diketahui. Ini termasuk "sosis Gaia" – sisa-sisa galaksi kerdil yang bergabung dengan Bima Sakti sekitar enam hingga sepuluh miliar tahun yang lalu dan yang memiliki bentuk orbital seperti sosis.

"Ini memiliki tanda tangan yang sangat spesifik," jelasnya. "Jika jaringan saraf bekerja sebagaimana mestinya, kita harus melihat struktur besar yang sudah kita ketahui ada di sana."

Sosis Gaia ada di sana, seperti halo bintang – bintang latar belakang yang memberi Bima Sakti bentuknya – dan aliran Helmi, galaksi kerdil lain yang dikenal yang bergabung dengan Bima Sakti di masa lalu dan ditemukan di 1999.

Penampakan Pertama: Nyx


Model mengidentifikasi struktur lain dalam analisis: sekelompok 250 bintang, berputar dengan cakram Bimasakti, tetapi juga menuju pusat galaksi.

"Naluri pertamamu adalah kamu memiliki bug," kenang Necib. "Dan kamu seperti, 'Oh, tidak!' Jadi, saya tidak memberi tahu kolaborator saya selama tiga minggu. Kemudian saya mulai menyadari itu bukan bug, itu sebenarnya nyata dan ini baru. "

Tetapi bagaimana jika itu sudah ditemukan? "Anda mulai membaca literatur, memastikan bahwa tidak ada yang melihatnya dan untungnya bagi saya, tidak ada yang melakukannya. Jadi saya menamainya, yang merupakan hal paling menarik dalam astrofisika. Saya menyebutnya Nyx, dewi Yunani malam itu "Struktur khusus ini sangat menarik karena akan sangat sulit untuk dilihat tanpa pembelajaran mesin."

Proyek ini membutuhkan komputasi tingkat lanjut pada berbagai tahap. Simulasi API dan KEBAKARAN yang diperbarui adalah salah satu model komputer galaksi terbesar yang pernah dicoba. Masing-masing dari sembilan simulasi utama – tiga formasi galaksi yang terpisah, masing-masing dengan titik awal yang sedikit berbeda untuk matahari – membutuhkan waktu berbulan-bulan untuk menghitung superkomputer terbesar dan tercepat di dunia. Ini termasuk Blue Waters di Pusat Nasional untuk Aplikasi Supercomputing (NCSA), fasilitas Komputasi Tinggi NASA, dan yang terbaru Stampede2 di Texas Advanced Computing Center (TACC).

Para peneliti menggunakan cluster di University of Oregon untuk melatih model pembelajaran yang mendalam dan menerapkannya pada dataset Gaia besar. Mereka saat ini menggunakan Frontera, sistem tercepat di universitas mana pun di dunia, untuk melanjutkan pekerjaan.

"Segala sesuatu tentang proyek ini adalah komputasi yang sangat intensif dan tidak akan dapat terjadi tanpa komputasi skala besar," kata Necib.

Langkah Masa Depan

Necib dan timnya berencana untuk mengeksplorasi Nyx lebih lanjut menggunakan teleskop darat. Ini akan memberikan informasi tentang susunan kimia aliran, dan rincian lainnya yang akan membantu mereka menentukan tanggal kedatangan Nyx ke Bima Sakti, dan mungkin memberikan petunjuk tentang dari mana asalnya.

Rilis data Gaia berikutnya pada tahun 2021 akan berisi informasi tambahan sekitar 100 juta bintang dalam katalog, membuat lebih banyak penemuan cluster yang bertambah mungkin.

"Ketika misi Gaia dimulai, para astronom tahu itu adalah salah satu set data terbesar yang akan mereka dapatkan, dengan banyak hal yang membuat mereka bersemangat," kata Necib. "Tapi kami perlu mengembangkan teknik kami untuk beradaptasi dengan dataset. Jika kami tidak mengubah atau memperbarui metode kami, kami akan kehilangan fisika yang ada di dataset kami."

Keberhasilan pendekatan tim Caltech mungkin memiliki dampak yang lebih besar. "Kami sedang mengembangkan alat komputasi yang akan tersedia untuk banyak bidang penelitian dan juga untuk hal-hal yang tidak terkait dengan penelitian," katanya. "Inilah cara kami mendorong batas teknologi secara umum."

You may also like...

Leave a Reply

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.