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La inteligencia artificial descubre lentes gravitatorias

Para los astrónomos son un regalo: las lentes gravitatorias fuertes concentran la luz de objetos sumamente lejanos y someten así su imagen a un fuerte aumento, como si fuese con una lupa, aunque con una gran alteración de su forma. Los objetos que originan ese efecto suelen ser cúmulos de galaxias o grandes galaxias elípticas, cuya fuerza gravitatoria modifica poderosamente el espaciotiempo. La luz de un objeto que esté bien detrás de la lente no seguirá un camino recto; su trayectoria se doblará, de modo que podrá haber rayos de luz que no estaban dirigidos hacia la Tierra que converjan entonces en ella. En el cielo nocturno, el objeto aparecerá muy distorsionado, como si fuera un arco o incluso un anillo completo; segun la forma y disposición de los objetos que participan en el efecto de lente, puede ocurrir también que se vean varias copias del que lo padece.

Hasta ahora se conocían cientos de lentes gravitatorias fuertes. Gracias a las redes neuronales podrían conocerse en adelante muchas más, según un equipo encabezado por Xiaosheng Huang, de la Universidad de San Francisco. Estos astrofísicos han creado una inteligencia artificial que las busca en una colección preexistente de imágenes de galaxias. De ese modo dieron con 335 candidatas a lupa cósmica, como cuentan en The Astrophysical Journal; en una prepublicación aparecida en mayo, como ese artículo, presentan otras 1014 nuevas posibles lentes gravitatorias.

La colección de imágenes a la que aplicaron la inteligencia artifical en el trabajo de The Astrophyscal Journal está extraída del Sondeo Legado con la Cámara de la Energía Oscura. El sondeo completo cubre 9000 grados cuadrados del cielo; cada imagen componente de ese retrato celeste abarca tres grados cuadrados y comprende numerosas galaxias (la combinación de este y otros sondeos del proyecto Legado cubre una tercera parte del cielo). Recortaron de esas vastas imágenes partes centradas en alguna galaxia elíptica. Un algoritmo de inteligencia artificial (una red neuronal de las llamadas profundas residuales) identificaba entre esos recortes cuáles presentaban sistemas de lente gravitatoria conforme a la capacidad discriminatoria que desarrolló durante su entrenamiento; los investigadores lo habían instruido con 432 lentes ya conocidas y 9451 casos no correspondientes a una lente. Del cómputo se encargó un superordenador del Laboratorio Nacional Lawrence en Berkeley, Estados Unidos. Luego, una inspección humana escogía las candidatas más probables. Para algunas de las más prometedoras había imágenes mejores tomadas por el Telescopio Espacial Hubble; en ellas se comprueba con mayor claridad el fenómeno de lente gravitatoria.

El estudio prepublicado utiliza también imágenes de los otros sondeos del proyecto Legado (que el estudio de The Astrophysical Journal utilizó también, pero para obtener imágenes de naturaleza ya conocida con las que aprendiese la inteligencia artificial). Además, ha introducido mejoras en la red neuronal. Los dos estudios del grupo de Huang no son los primeros que se sirven de la inteligencia artificial para descubrir lentes gravitatorias, pero con el tipo de redes utilizado en aquellos rastreos precedentes hubo que recurrir en su entrenamiento a imágenes simuladas de lente gravitatoria, ya que se necesitaban muchos más ejemplos para instruir las redes que los realmente disponibles; a la inteligencia artificial de Huang y sus colaboradores, en cambio, le basta con las imágenes reales.

Para el grupo de Xiaosheng Huang no es más que un anticipo de trabajos venideros: en los próximos años entrarán en funcionamiento nuevos telescopios que darán detalladas panorámicas del firmamento. Se quiere entender así mejor el pasado del cosmos y los efectos de la energía oscura, que tantas dudas suscita. La inteligencia artificial podría servir para filtrar, entre las imágenes de miles de millones de galaxias, las fuertemente aumentadas por una lente gravitatoria.

Robert Gast
Referencia: «Finding Strong Gravitational Lenses in the DESI DECam Legacy Survey», de X. Huang et al. en The Astrophysical Journal, volumen 894, número 1 (se puede leer la prepublicación, arXiv:1906.00970 [astro-ph.GA]); «Discovering New Strong Gravitational Lenses in the DESI Legacy Imaging Surveys», de X. Huang et al., en arXiv:2005.04730 [astro-ph.IM].