I dati del DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument) Legacy Imaging Surveys hanno rivelato oltre 1200 nuove lenti gravitazionali, raddoppiando approssimativamente il numero di lenti conosciute. Scoperto utilizzando l'apprendimento automatico addestrato su dati reali, queste immagini deformate e allungate di galassie lontane forniscono agli astronomi una marea di nuovi obiettivi con cui misurare le proprietà fondamentali dell'Universo come la costante di Hubble, che descrive l'Universo in espansione.

Gli astronomi alla ricerca di lenti gravitazionali hanno utilizzato l'apprendimento automatico per ispezionare il vasto set di dati noto come DESI Legacy Imaging Surveys, scoprendo 1210 nuove lenti. I dati sono stati raccolti presso il Cerro Tololo Inter-American Observatory (CTIO) e il Kitt Peak National Observatory (KPNO), entrambi i programmi del NOIRLab della National Science Foundation. L'ambizioso DESI Legacy Imaging Surveys ha appena avuto il suo nono e ultimo rilascio di dati.

Discusso su riviste scientifiche fin dagli anni '30, Le lenti gravitazionali sono prodotti della Teoria della Relatività Generale di Einstein. La teoria dice che un oggetto massiccio, come un ammasso di galassie, può deformare lo spaziotempo. Alcuni scienziati, compreso Einstein, ha predetto che questa deformazione dello spaziotempo potrebbe essere osservabile, come stiramento e distorsione della luce di una galassia sullo sfondo da parte di un ammasso di galassie in primo piano. Le lenti in genere appaiono nelle immagini come archi e strisce attorno alle galassie in primo piano e agli ammassi di galassie.

Solo uno su 10, Si prevede che 000 massicce galassie mostreranno prove di una forte lente gravitazionale, e individuarli non è facile. Le lenti gravitazionali consentono agli astronomi di esplorare le domande più profonde del nostro Universo, compresa la natura della materia oscura e il valore della costante di Hubble, che definisce l'espansione dell'Universo. Una delle principali limitazioni dell'uso delle lenti gravitazionali fino ad ora è stato il piccolo numero di esse conosciuto.

"Un'enorme galassia deforma lo spaziotempo intorno a sé, ma di solito non si nota questo effetto. Solo quando una galassia è nascosta direttamente dietro una galassia gigante è possibile vedere una lente, " nota l'autore principale dello studio, Xiaosheng Huang dell'Università di San Francisco. "Quando abbiamo iniziato questo progetto nel 2018, c'erano solo circa 300 lenti forti confermate."

"Come co-leader dei DESI Legacy Surveys ho capito che questo sarebbe stato il set di dati perfetto per cercare lenti gravitazionali, " spiega il coautore dello studio David Schlegel del Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL). "Il mio collega Huang aveva appena finito di insegnare in una classe universitaria sull'apprendimento automatico all'Università di San Francisco, e insieme ci siamo resi conto che questa era un'opportunità perfetta per applicare quelle tecniche alla ricerca di lenti gravitazionali".

Lo studio sul lensing è stato possibile grazie alla disponibilità di dati scientifici dai DESI Legacy Imaging Surveys, che sono stati condotti per identificare obiettivi per le operazioni di DESI, e da cui è appena stato rilasciato il nono e ultimo dataset. Questi sondaggi comprendono una miscela unica di tre progetti che hanno osservato un terzo del cielo notturno:il Dark Energy Camera Legacy Survey (DECaLS), osservato dalla Dark Energy Camera (DECam) sul telescopio da 4 metri Víctor M. Blanco al CTIO in Cile; il Mayall z-band Legacy Survey (MzLS), dalla telecamera Mosaic3 sul telescopio da 4 metri Nicholas U. Mayall al KPNO; e il Beijing-Arizona Sky Survey (BASS) dalla fotocamera 90Prime sul telescopio Bok da 2,3 metri, che è di proprietà e gestito dall'Università dell'Arizona e si trova a KPNO.

"Abbiamo progettato il progetto di imaging Legacy Surveys da zero come impresa pubblica, in modo che possa essere utilizzato da qualsiasi scienziato, ", ha affermato il coautore dello studio Arjun Dey, dal NOIRLab di NSF. "La nostra indagine ha già prodotto più di mille nuove lenti gravitazionali, e ce ne sono senza dubbio molti altri in attesa di essere scoperti.

I dati del DESI Legacy Imaging Surveys vengono forniti alla comunità astronomica tramite l'Astro Data Lab presso il Community Science and Data Center (CSDC) di NOIRLab. "Fornire set di dati scientifici per la scoperta e l'esplorazione è fondamentale per la nostra missione, " ha affermato il direttore del CSDC Adam Bolton. "Le indagini DESI Legacy Imaging sono una risorsa chiave che può essere utilizzata negli anni a venire dalla comunità astronomica per indagini come queste".

Per analizzare i dati, Huang e il team hanno utilizzato il supercomputer del National Energy Research Scientific Computer Center (NERSC) al Berkeley Lab. "I DESI Legacy Imaging Surveys sono stati assolutamente cruciali per questo studio; non solo i telescopi, strumenti, e strutture, ma anche riduzione dei dati ed estrazione delle fonti, " spiega Huang. "La combinazione dell'ampiezza e della profondità delle osservazioni non ha eguali".

Con l'enorme quantità di dati scientifici su cui lavorare, i ricercatori si sono rivolti a una sorta di apprendimento automatico noto come rete neurale residua profonda. Le reti neurali sono algoritmi di calcolo che sono in qualche modo paragonabili a un cervello umano e vengono utilizzati per risolvere problemi di intelligenza artificiale. Le reti neurali profonde hanno molti strati che collettivamente possono decidere se un oggetto candidato appartiene a un particolare gruppo. Per poterlo fare, però, le reti neurali devono essere addestrate a riconoscere gli oggetti in questione.

Con il gran numero di obiettivi candidati ora a disposizione, i ricercatori possono effettuare nuove misurazioni di parametri cosmologici come la costante di Hubble. La chiave sarà rilevare una supernova nella galassia di fondo, quale, se fotografato da una galassia in primo piano, apparirà come più punti di luce. Ora che gli astronomi sanno quali galassie mostrano prove di un forte lensing, sanno dove cercare. Nuove strutture come l'Osservatorio Vera C. Rubin (attualmente in costruzione in Cile e gestito da NOIRLab) monitoreranno oggetti come questi come parte della sua missione, permettendo a qualsiasi supernova di essere misurata rapidamente da altri telescopi.

Gli studenti universitari hanno svolto un ruolo significativo nel progetto fin dal suo inizio. Lo studente dell'Università della California Andi Gu ha detto:"Il mio ruolo nel progetto mi ha aiutato a sviluppare diverse competenze che ritengo fondamentali per la mia futura carriera accademica".

Questa ricerca è stata presentata nel documento "Discovering New Strong Gravitational Lenses in the DESI Legacy Imaging Surveys" per apparire in The Giornale Astrofisico .