В статье для журнала Nature Astronomy на этой неделе Несиб и ее сотрудники описывают Никс, новый огромный звездный поток в окрестностях Солнца, который может дать первое указание на то, что карликовая галактика слилась с диском Млечного Пути. Считается, что эти звездные потоки представляют собой шаровые скопления или карликовые галактики, которые были растянуты по своей орбите под действием приливных сил, прежде чем полностью разрушиться.
Открытие Никса пошло окольным путем, но тот, который отражает многогранный способ изучения астрономии и астрофизики сегодня.
ОГОНЬ в космосе
Несиб изучает кинематику – или движение – звезд и темной материи в Млечном Пути. "Если есть какие-то группы звезд, которые движутся вместе определенным образом, это обычно говорит нам о том, что есть причина, по которой они движутся вместе."
С 2014 года исследователи из Калифорнийского технологического института, Северо-Западного университета, Калифорнийского университета в Сан-Диего и Калифорнийского университета в Беркли, среди других учреждений, разрабатывают высокодетализированное моделирование реалистичных галактик в рамках проекта под названием FIRE (Feedback In Realistic Environments). Эти модели включают все, что известно ученым о том, как галактики образуются и развиваются. Начиная с виртуального эквивалента начала времен, моделирование создает галактики, которые выглядят и действуют так же, как наша.
Картирование Млечного Пути
Одновременно с проектом FIRE в 2013 году Европейское космическое агентство запустило космическую обсерваторию Gaia. Его цель – создать чрезвычайно точную трехмерную карту примерно одного миллиарда звезд по всей галактике Млечный Путь и за ее пределами.
"Это крупнейшее кинематическое исследование на сегодняшний день. Обсерватория обеспечивает движение одного миллиарда звезд », – пояснила она. "Подмножество ее, семь миллионов звезд, имеют трехмерные скорости, что означает, что мы можем точно знать, где находится звезда и ее движение.
Мы перешли от очень маленьких наборов данных к массовому анализу, который мы не могли сделать раньше, чтобы понять структуру Млечного Пути."
Открытие Nyx включало объединение этих двух крупных астрофизических проектов и их анализ с использованием методов глубокого обучения.
Среди вопросов, на которые обращаются и моделирование, и обзор неба: как Млечный Путь стал тем, чем он является сегодня?
«Галактики образуются, поглощая другие галактики», – сказал Несиб. «Мы предположили, что история слияний Млечного Пути была спокойной, и какое-то время это касалось того, насколько тихо было, потому что наши симуляции показывают множество слияний. Теперь, имея доступ ко множеству небольших построек, мы понимаем, что там было не так тихо, как казалось.
Очень важно иметь все эти инструменты, данные и моделирование. Все они должны использоваться сразу, чтобы распутать эту проблему. Мы находимся на начальной стадии понимания формирования Млечного пути."
Применение глубокого обучения к Gaia
Карта с миллиардом звезд – неоднозначное благо: столько информации, но ее почти невозможно разобрать человеческим восприятием.
"Раньше астрономам приходилось много искать и строить графики и, возможно, использовать некоторые алгоритмы кластеризации. Но это уже невозможно », – сказал Несиб. "Мы не можем смотреть на семь миллионов звезд и понимать, что они делают.
В этой серии проектов мы использовали макеты каталогов Gaia."
Каталог макетов Gaia, разработанный Робин Сандерсон (Университет Пенсильвании), по сути, задавал вопрос: «Если бы моделирование FIRE было реальным и наблюдалось с помощью Gaia, что бы мы увидели??’
Сотрудник Necib, Брайан Остдик (ранее работавший в Университете Орегона, а теперь – в Гарвардском университете), который ранее участвовал в проекте Большого адронного коллайдера (LHC), имел опыт работы с огромными наборами данных с использованием машинного и глубокого обучения.
Перенос этих методов в астрофизику открыл дверь к новому способу исследования космоса.
«На LHC у нас есть невероятные симуляции, но мы опасаемся, что машины, обученные на них, могут изучить симуляцию, а не настоящую физику», – сказал Остдик. «Таким же образом галактики FIRE предоставляют прекрасную среду для обучения наших моделей, но они не Млечный Путь. Нам нужно было узнать не только то, что может помочь нам идентифицировать интересные звезды в моделировании, но и как сделать так, чтобы это можно было обобщить на нашу настоящую галактику."
Команда разработала метод отслеживания движений каждой звезды в виртуальных галактиках и пометила звезды как рожденные в родительской галактике или сросшиеся в результате слияния галактик. Эти два типа звезд имеют разные сигнатуры, хотя различия часто незначительны.
Эти метки использовались для обучения модели глубокого обучения, которая затем была протестирована на других симуляциях FIRE.
После создания каталога они применили его к данным Gaia. «Мы спросили нейронную сеть:« На основании того, что вы узнали, можете ли вы обозначить, срослись ли звезды или нет? »?’"Сказал Несиб.
Модель оценила степень уверенности в том, что звезда родилась за пределами Млечного Пути, в диапазоне от 0 до 1. Команда создала отсечку с допуском на ошибку и начала изучать результаты.
Такой подход к применению модели, обученной на одном наборе данных, и ее применения к другому, но связанному с ним, называется трансферным обучением и может быть сопряжен с проблемами. «Нам нужно было убедиться, что мы изучаем не искусственные вещи о моделировании, а действительно то, что происходит в данных», – сказал Несиб. "Для этого нам пришлось немного помочь ему и попросить его повторно взвесить определенные известные элементы, чтобы дать ему некоторую привязку."
Сначала они проверили, может ли он идентифицировать известные особенности галактики. К ним относятся «колбаса Гайи» – остатки карликовой галактики, которая слилась с Млечным путем около шести-десяти миллиардов лет назад и имеет характерную форму орбиты, напоминающую сосиску.
"У него очень специфическая подпись", – пояснила она. "Если бы нейронная сеть работала должным образом, мы бы увидели эту огромную структуру, о которой мы уже знаем."
Колбаса Гайи была там, как и звездное гало – фоновые звезды, которые придают Млечному Пути характерную форму – и поток Хельми, еще одна известная карликовая галактика, которая слилась с Млечным путем в далеком прошлом и была обнаружена в 1999 г.
Первое наблюдение: Никс
Модель определила еще одну структуру в анализе: скопление из 250 звезд, вращающееся вместе с диском Млечного Пути, но также направляющееся к центру галактики.
«Ваш первый инстинкт состоит в том, что у вас есть ошибка», – рассказал Несиб. "И ты такой: ‘О нет!’Итак, я не говорил никому из моих сотрудников в течение трех недель.
Потом я начал понимать, что это не ошибка, это реально и ново."
Но что, если бы это уже было обнаружено? "Вы начинаете изучать литературу, чтобы убедиться, что ее никто не видел, и, к счастью для меня, никто не.
Так что я должен был назвать это, что является самым захватывающим в астрофизике. Я назвал это Никс, греческая богиня ночи. Эта конкретная структура очень интересна, потому что ее было бы очень трудно увидеть без машинного обучения."
Проект требовал передовых вычислений на многих различных этапах. FIRE и обновленное моделирование FIRE-2 являются одними из крупнейших компьютерных моделей галактик, которые когда-либо предпринимались. Для каждой из девяти основных симуляций – трех отдельных галактических образований, каждое из которых имеет немного отличающуюся отправную точку для Солнца – потребовались месяцы на вычисление на самых больших и быстрых суперкомпьютерах в мире.
К ним относятся Blue Waters в Национальном центре суперкомпьютерных приложений (NCSA), высокопроизводительные вычислительные мощности НАСА и совсем недавно Stampede2 в Техасском центре передовых вычислений (TACC).
Исследователи использовали кластеры в Университете Орегона для обучения модели глубокого обучения и применения ее к массивному набору данных Gaia. В настоящее время они используют Frontera, самую быструю систему в любом университете мира, чтобы продолжить работу.
«Все в этом проекте требует очень больших вычислительных ресурсов и не может быть реализовано без крупномасштабных вычислений», – сказал Несиб.
Будущие шаги
Несиб и ее команда планируют продолжить исследование Никс с помощью наземных телескопов. Это предоставит информацию о химическом составе потока и другие детали, которые помогут им определить дату прибытия Никс в Млечный Путь и, возможно, укажут, откуда он появился.
Следующий выпуск данных Gaia в 2021 году будет содержать дополнительную информацию о 100 миллионах звезд в каталоге, что делает вероятными открытия новых скоплений.
«Когда началась миссия Gaia, астрономы знали, что это один из крупнейших наборов данных, который они собирались получить, и многие из них должны были быть в восторге», – сказал Несиб. "Но нам нужно было усовершенствовать наши методы, чтобы адаптироваться к набору данных. Если бы мы не меняли или не обновляли наши методы, мы бы упустили физику, которая есть в нашем наборе данных."
Успех подхода команды Калифорнийского технологического института может иметь еще большее влияние. «Мы разрабатываем вычислительные инструменты, которые будут доступны для многих областей исследований, а также для вещей, не связанных с исследованиями», – сказала она. «Таким образом мы расширяем технологические границы в целом."