AI ανιχνεύει σπάνιο υπερκαινο SN 2023zkd σε πραγματικό χρόνο

Ένα σπάνιο υπερκαινο με το όνομα SN 2023zkd έχει ανακαλυφθεί από αστρονόμους με τη βοήθεια της τεχνητής νοημοσύνης (AI).

Η AI χρησιμοποιείται πλέον εκτενώς σε διάφορους κλάδους όπως η χρηματοοικονομία, η υγειονομική περίθαλψη, η βιομηχανία, η κυβερνοασφάλεια, η διαχείριση καταστροφών και η εξυπηρέτηση πελατών. Μετασχηματίζει τον κόσμο αυτοματοποιώντας επαναλαμβανόμενες εργασίες, λειτουργώντας αδιάκοπα χωρίς κόπωση, επεξεργαζόμενη και αναλύοντας τεράστιες ποσότητες σύνθετων δεδομένων, ελαχιστοποιώντας τα σφάλματα και βελτιώνοντας τη λήψη αποφάσεων.

Η τεχνολογία, η οποία αναφέρεται στην ικανότητα των μηχανών να εκτελούν εργασίες που συνήθως σχετίζονται με ανθρώπινη νοημοσύνη, βοηθά επίσης να εντοπίζουμε νέα αντικείμενα στον ουρανό και να εμβαθύνουμε την κατανόησή μας για το σύμπαν.

Για παράδειγμα, πριν από μερικούς μήνες, η AI βοήθησε μια διεθνή ομάδα αστρονόμων να ξεδιαλύνει τα μυστήρια του σύμπαντος αξιολογώντας δεδομένα σχετικά με τις μαύρες τρύπες. Χρησιμοποιώντας πάνω από 12 εκατομμύρια προσομοιώσεις, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι η κεντρική μαύρη τρύπα του Γαλαξία μας περιστρέφεται σχεδόν με τη μέγιστη ταχύτητά της.

Για να το πετύχουν αυτό, η ομάδα χρησιμοποίησε συνθετικές προσομοιώσεις για την εκπαίδευση του δικτύου, επιτρέποντας την ανακάλυψη νέων κοσμικών γνώσεων σχετικά με τις μαύρες τρύπες.

Το δίκτυο εκπαιδεύτηκε για να αποκαλύψει πληροφορίες από τα δεδομένα πίσω από τις εικόνες της μαύρης τρύπας Sagittarius A* που παρουσιάστηκαν από τη συνεργασία Event Horizon Telescope (EHT) το 2022.

Ενώ προηγούμενες μελέτες χρησιμοποίησαν μόνο μικρή ποσότητα ρεαλιστικών συνθετικών δεδομένων, η τελευταία μελέτη τροφοδότησε εκατομμύρια αρχεία σε ένα Bayesian νευρωνικό δίκτυο, χάρη στις δυνατότητες υψηλής απόδοσης υπολογισμού του CHTC, για να κάνει πιο ακριβή σύγκριση μεταξύ των δεδομένων EHT και των μοντέλων.

Το νευρωνικό δίκτυο πρότεινε ότι η μαύρη τρύπα περιστρέφεται σχεδόν με τη μέγιστη ταχύτητα, και η εκπομπή κοντά δεν προκαλείται από ριπή αλλά από εξαιρετικά θερμά ηλεκτρόνια στον περιβάλλοντα δίσκο προσρόφησης. Επιπλέον, τα μαγνητικά πεδία στον δίσκο φαίνεται να συμπεριφέρονται διαφορετικά από ό,τι είχε προηγουμένως υποτεθεί.

Σύμφωνα με τον κύριο ερευνητή Michael Janssen του Radboud University Nijmegen:

“Το ότι αψηφούμε τη κυρίαρχη θεωρία είναι, φυσικά, συναρπαστικό. Ωστόσο, βλέπω την προσέγγισή μας με AI και μηχανική μάθηση κυρίως ως πρώτο βήμα. Στη συνέχεια, θα βελτιώσουμε και θα επεκτείνουμε τα συναφή μοντέλα και προσομοιώσεις.”

Μια άλλη μελέτη από πέρυσι χρησιμοποίησε AI για να καθορίσει πέντε κοσμολογικές παραμέτρους ή τις αρχικές «ρυθμίσεις του σύμπαντος¹» με ακρίβεια. Αυτές οι παράμετροι, εξαγόμενες από ένα σύνολο δεδομένων (SDSS) που περιέχει πληροφορίες για πάνω από 100.000 γαλαξίες, καθορίζουν πώς λειτουργεί το σύμπαν σε μεγαλύτερες κλίμακες.

Για να εξάγουν πολύτιμες πληροφορίες από το σύνολο δεδομένων, η ομάδα πρέπει πρώτα να εκπαιδεύσει την AI στο τι πρέπει να αναζητήσει, και γι’ αυτό, δημιούργησαν 2.000 προσομοιωμένα σύμπαντα, το καθένα με διαφορετικές κοσμολογικές ρυθμίσεις και πραγματικές προκλήσεις που αντιμετωπίζονται σε έρευνες γαλαξιών. 

Στη συνέχεια, τροφοδοτήθηκε με πραγματικά δεδομένα από το SDSS Baryon Oscillation Spectroscopic Survey, παρέχοντας εντυπωσιακά αποτελέσματα που καθιστούν δυνατό για τους αστρονόμους να κάνουν περισσότερα με λιγότερα δεδομένα και να προωθήσουν τα όρια της αστρονομίας.

Τώρα, στην πιο πρόσφατη ανακάλυψη, οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν ένα νέο σύστημα AI που ονομάζεται Lightcurve Anomaly Identification and Similarity Search (LAISS), το οποίο βασίζεται στον αλγόριθμο του Spotify.

Δημιουργημένο από το παγκόσμιο ερευνητικό πανεπιστήμιο UC Santa Cruz, το σύστημα συγκρίνει τα χαρακτηριστικά του υπερκαινού SN 2023zkd με ένα σύνολο δεδομένων γνωστών αντικειμένων για να εντοπίσει τυχόν ανωμαλία, η οποία μπορεί να υποδηλώνει σπάνιο φαινόμενο. Όταν η AI βρίσκει κάτι που αξίζει να ελεγχθεί, στέλνει υποψήφιους προς ανάλυση από τους ερευνητές σε πραγματικό χρόνο.

Χρησιμοποιώντας αυτό το σύστημα AI, οι αστρονόμοι μπόρεσαν να εντοπίσουν το υπερκαινό μέσα σε λίγες ώρες από την έκρηξή του. Ένα υπερκαινό είναι μια εξαιρετικά ισχυρή και φωτεινή έκρηξη ενός άστρου, η οποία είναι ένα από τα πιο λαμπρά γεγονότα στο σύμπαν και μπορεί προσωρινά να ξεπεράσει ολόκληρους γαλαξίες.

Τα υπερκαινά αποτελούν ουσιώδες μέρος του σύμπαντος, καθώς δημιουργούν και διαχέουν βαρέα στοιχεία, τα οποία είναι τα θεμελιώδη δομικά στοιχεία για μελλοντικά αστέρια, πλανήτες και ζωή.

Αυτά είναι σύντομα γεγονότα, αλλά πριν το SN 2023zkd εξασθενίσει, οι ερευνητές μπόρεσαν να πραγματοποιήσουν γρήγορες παρατηρήσεις παρακολούθησης. Τα στοιχεία υποδεικνύουν ότι αυτή η συγκεκριμένη έκρηξη ήταν αποτέλεσμα ενός τεράστιου άστρου που είχε καταστροφική συνάντηση με έναν συνοδικό μαύρο τρύπα.

Ο συνοδός είτε κατάπιε το αστέρι μερικώς είτε το έσπασε πριν αυτό μπορούσε να εκραγεί από μόνο του.

Αξιοσημείωτο, η AI που χρησιμοποίησαν οι αστρονόμοι για να εντοπίζουν παροδικές ανωμαλίες σε πραγματικό χρόνο, τακτικά και «χωρίς να βασίζονται στην τύχη», θα μπορούσε επίσης να χρησιμοποιηθεί για ιατρική διάγνωση, πρόληψη οικονομικής απάτης και εθνική ασφάλεια, δείχνοντας την ευελιξία και τις ευρείες δυνατότητες του συστήματος.

Πιάνωντας Κοσμικές Εκρήξεις στα Πρώτα τους Στάδια

Η πιο πρόσφατη ανακάλυψη ανακοινώθηκε αυτόν τον μήνα από μια συνεργασία αστρονομίας, η οποία σημείωσε μια έκρηξη ενός τεράστιου άστρου περιορισμένου σε τροχιά με μια μαύρη τρύπα. Αυτή η ανακάλυψη έγινε με τη βοήθεια ενός συστήματος AI, το οποίο αναζητά ενεργά αστέρια αμέσως μετά την έκρηξή τους.

Το όνομα της έκρηξης είναι SN 2023zkd, και εντοπίστηκε για πρώτη φορά πριν δύο χρόνια από το Zwicky Transient Facility. Η αναγνωρίστηκε μέσω ενός ολοκαίνουργιου μοντέλου AI, το οποίο σχεδιάστηκε για να εντοπίζει οποιεσδήποτε ασυνήθιστες εκρήξεις ή κοσμικά γεγονότα σε πραγματικό χρόνο.

Η ύπαρξη έγκαιρης ειδοποίησης επέτρεψε στην ομάδα ερευνητών να ξεκινήσει άμεσα τις παρατηρήσεις παρακολούθησης, κάτι που αποτελεί σημαντικό βήμα για την καταγραφή της έκρηξης από τα πρώτα της στάδια, την κάλυψη της πλήρους ιστορίας της και την εύρεση των προελεύσεων της.

Μόλις η έκρηξη τελείωσε, το παρατηρήθηκε από τηλεσκόπια στο διάστημα καθώς και στη γη. Σε αυτή την περίπτωση, δύο τηλεσκόπια στο αστρονομικό ερευνητικό παρατηρητήριο της Χαβάης (Haleakalāa) χρησιμοποιήθηκαν από το Young Supernova Experiment (YSE) με βάση το UC Santa Cruz.

“Κάτι ακριβώς όπως αυτό το υπερκαινό δεν έχει ξαναδεί πριν, οπότε μπορεί να είναι πολύ σπάνιο.”

– Ryan Foley, Αναπληρωτής καθηγητής αστρονομίας και αστροφυσικής στο UC Santa Cruz

Ενώ οι άνθρωποι είναι επίσης καλοί στο να εντοπίζουν πράγματα που ‘δεν είναι όπως τα άλλα’, ο αλγόριθμος AI, όπως σημείωσε, μπορεί να τα επισημάνει πολύ νωρίτερα από ό,τι θα τα παρατηρούσαμε, και αυτό είναι κρίσιμο για παρατηρήσεις ευαίσθητες στο χρόνο.

Η ομάδα του Foley διαχειρίζεται στην πραγματικότητα το YSE, μια έρευνα χρονικού τομέα σχεδιασμένη να ανακαλύπτει νέα υπερκαινά (SNe) και άλλα κοσμικά μεταβατικά φαινόμενα μέσα σε ώρες ή ημέρες από την έκρηξή τους. Λειτουργεί κυρίως με τηλεσκόπια Pan-STARRS που σύντομα θα σαρώσουν 1500 τετραγωνικές μοίρες του ουρανού κάθε τρεις ημέρες.

Σύμφωνα με την επίσημη ιστοσελίδα, ο στόχος του YSE είναι να βρει στατιστικά δείγματα νέων, κόκκινων και σπάνιων μεταβατικών φαινομένων. Στοχεύει επίσης να κατανοήσει καλύτερα τη μεταβλητότητα των μαύρων τρυπών.

Η σάρωση περίπου 4% του νυχτερινού ουρανού κάθε τρεις ημέρες έχει επιτρέψει στην ομάδα να ανακαλύψει χιλιάδες νέες κοσμικές εκρήξεις, με δεκάδες από αυτές λίγες ημέρες ή ώρες μετά την έκρηξη.

Τώρα, έχουν ανακαλύψει κάτι ενδιαφέρον για το SN 2023zkd, το οποίο περιγράφηκε στη μελέτη με τίτλο ‘Evidence for an Instability-induced Binary Merger in the Double-peaked, Helium-rich Type IIn Supernova 2023zkd.’² Δημοσιεύτηκε στο Astrophysical Journal, η μελέτη χρηματοδοτείται από τη NASA, το National Science Foundation, το Moore Foundation και το Packard Foundation.

Σύμφωνα με τους αστρονόμους πίσω από την πιο πρόσφατη ανακάλυψη, μια σύγκρουση μεταξύ του τεράστιου άστρου και της μαύρης τρύπας ήταν αναπόφευκτη.

Το αστέρι ήταν κλειδωμένο σε τροχιά με τη μαύρη τρύπα, και καθώς η ενέργεια χάθηκε από την τροχιά, έφτασαν πιο κοντά η μία στην άλλη. Η απόστασή τους συνέχισε να μειώνεται ενώ η έντονη βαρύτητα της μαύρης τρύπας έσυρε σκόνη και αέριο από το αστέρι σε έναν δίσκο.

Αυτό συνεχίστηκε, και πριν το αστέρι μπορούσε να καταναλώσει τη πυκνή μαύρη τρύπα, το βαρυτικό στρες της τελευταίας προκάλεσε την έκρηξη του αστέρα.

Όταν η έκρηξη συγκρούστηκε με τα περιβλήματα υλικού από προηγούμενες αλληλεπιδράσεις, που βρίσκονταν πάνω και κάτω από τον δίσκο, παρήγαγε ένα δραματικό γεγονός επανενεργοποίησης της φωτεινότητας.

According to Alexander Gagliano, the study’s lead author and a fellow at the NSF Institute for Artificial Intelligence and Fundamental Interactions:

Η ανάλυσή μας δείχνει ότι η έκρηξη προκλήθηκε από μια καταστροφική συνάντηση με έναν συνοδικό μαύρο τρύπα, και αποτελεί την ισχυρότερη μέχρι σήμερα απόδειξη ότι τέτοιες στενές αλληλεπιδράσεις μπορούν πραγματικά να εκραγούν ένα αστέρι.

Ενώ είναι γνωστό ότι τα περισσότερα τεράστια αστέρια βρίσκονται σε δυαδικά συστήματα, ο Gagliano σημείωσε ότι «το να πιάσουμε ένα στη διαδικασία ανταλλαγής μάζας λίγο πριν εκραγεί είναι εξαιρετικά σπάνιο».

Αλλά αυτή δεν είναι η μόνη ερμηνεία. Η ομάδα πραγματικά εξέτασε πολλαπλά σενάρια προέλευσης για το υπερκαινό.

Το άλλο, σύμφωνα με την ομάδα των επιστημόνων, είναι ότι η μαύρη τρύπα έσπασε το τεράστιο αστέρι εντελώς πριν αυτό μπορούσε να εκραγεί από μόνο του, μέσω μιας διαδικασίας που ονομάζεται «σπαγγετιποίηση». Η μαύρη τρύπα στη συνέχεια έσυρε τα υπολείμματα του αστέρα. Όταν αυτά τα υπολείμματα συγκρούστηκαν με το αέριο που το περιβάλλει, παρήγαγαν το φωτεινό φως. Τα δεδομένα δεν υποστηρίζουν τόσο έντονα αυτήν την περίπτωση.

Και στα δύο σενάρια, η πιο βαριά μαύρη τρύπα είναι το μόνο που απομένει. Σύμφωνα με τη μελέτη, το φωτεινό οπτικό προ-συμβάν και τα χαρακτηριστικά της έκρηξης βρέθηκαν να είναι πιο συνεπή με ένα τεράστιο και εν μέρει απογυμνωμένο αστέρι He που περνάει από μια ένωση που προκαλείται από αστάθεια με έναν συνοδικό μαύρο τρύπα.

Κάντε κλικ εδώ για να μάθετε όλα για το Τηλεσκόπιο James Webb.

Η Παράξενη Ζωή του Υπερκαινού SN 2023zkd

Το SN 2023zkd βρίσκεται περίπου 730 εκατομμύρια έτη φωτός από τον πλανήτη μας, τη Γη. Στην αρχή, έμοιαζε με οποιοδήποτε υπερκαινό, μια μοναδική έκρηξη φωτός που σβήνει αργά με την πάροδο του χρόνου. Αλλά αυτό δεν ήταν η περίπτωση.

Καθώς οι αστρονόμοι συνέχισαν να παρακολουθούν την πτώση του SN 2023zkd για πολλούς μήνες, διαπίστωσαν ότι το υπερκαινό φωτίστηκε ξανά. Έτσι, η ομάδα μελέτησε τα αρχειακά δεδομένα για να κατανοήσει αυτή τη ασυνήθιστη συμπεριφορά, που αποκάλυψε ένα ακόμη μοναδικό χαρακτηριστικό.

Οι παρατηρήσεις από το υπεριώδες έως το υπέρυθρο του εξαιρετικού υπερκαινού έδειξαν επίμονη και λαμπρή προ-εκρηκτική εκπομπή που εκτείνεται σε αρκετά χρόνια πριν την ανακάλυψη, ακολουθούμενη από μια δεύτερη φάση αργής φωτεινότητας στο τελευταίο του έτος.

Μετά την ανακάλυψη, το υπερκαινό παρουσίασε δύο συγκρίσιμα κορυφαία φωτεινότητα που χωρίζονταν κατά 240 ημέρες, ή περίπου οκτώ μήνες.

Στο φασματοσκοπικό επίπεδο, παρουσίασε έντονα ασύμμετρα, πολυσυστατικά προφίλ Balmer και He I. Αυτές είναι συγκεκριμένες φασματικές γραμμές υδρογόνου (H) και ηλίου (He) που παρατηρούνται σε αστρικά φάσματα, χρησιμοποιούμενες για τον προσδιορισμό της ηλικίας και της σύνθεσης των αστρικών πληθυσμών σε γαλαξίες και άλλα κοσμικά αντικείμενα.

Έτσι, πριν ακόμη συμβεί η έκρηξη, το σύστημα ήδη αυξανόταν αργά σε φωτεινότητα για πάνω από τέσσερα χρόνια, ή περίπου 1.500 ημέρες. Και αυτό το είδος παρατεταμένης δραστηριότητας πριν την έκρηξη σπάνια παρατηρείται σε υπερκαινά.

Το αστέρι βασικά υπέστη δύο μεγάλες εκρήξεις πριν πεθάνει. Μια λεπτομερής ανάλυση επίσης έδειξε ότι το φως της έκρηξης ήταν αποτέλεσμα του υλικού που το αστέρι είχε απορρίψει τα χρόνια πριν πεθάνει.

«2023zkd δείχνει μερικά από τα πιο καθαρά σημάδια που έχουμε δει μιας αλληλεπίδρασης τεράστιου άστρου με έναν συνοδικό τα χρόνια πριν από την έκρηξη», είπε η συν-συγγραφέας της μελέτης, Ashley Villar, η οποία είναι βοηθός καθηγητής αστρονομίας στο Πανεπιστήμιο Harvard στο Μασαχουσέτη. «Πιστεύουμε ότι αυτό μπορεί να αποτελεί μέρος μιας ολόκληρης κατηγορίας κρυφών εκρήξεων που η AI θα μας βοηθήσει να ανακαλύψουμε».

Έτσι, η αύξηση φωτεινότητας που συνέβη πριν την έκρηξη ήταν αποτέλεσμα του κύματος σοκ του υπερκαινού που συγκρούστηκε με αέριο χαμηλής πυκνότητας. Μια άλλη κορυφή, μήνες αργότερα, ήταν αποτέλεσμα μιας αργής και διαρκούς σύγκρουσης με το πυκνό, δίσκο-σχήμα νέφος.

Αυτή η συγκεκριμένη δομή, μαζί με τη συμπεριφορά πριν την έκρηξη, υποδεικνύει ότι το πεθαμένο αστέρι β