Quatro dos recém-descobertos quasares com imagem quadruplicada. Os objetos são: " GraL J0659+1629 ou "Gemini's Crossbow"; GraL J1537-3010 ou "Wolf's Paw"; GraL J1651-0417 ou "Dragon's Kite"; GraL J2038-4008 ou "Microscope Lens". A mancha difusa no centro das fotografias é a galáxia que atua como lente, a gravidade da qual está a dividir a luz do quasar por trás de modo a produzir quatro imagens desse objeto. Ao modelar estes sistemas e ao monitorizar como as imagens diferentes variam em termos de brilho ao longo do tempo, os astrónomos podem determinar o ritmo de expansão do Universo e ajudar a resolver problemas cosmológicos.
Crédito: Colaboração GraL
Com a ajuda de técnicas de aprendizagem de máquina, uma equipa de astrónomos descobriu uma dúzia de quasares que foram distorcidos por uma "lente" cósmica natural e divididos em quatro imagens semelhantes. Os quasares são núcleos extremamente luminosos de galáxias distantes alimentados por buracos negros supermassivos.
Ao longo das últimas quatro décadas, os astrónomos encontraram cerca de 50 destes "quasares com imagem quadruplicada", que ocorrem quando a gravidade de uma galáxia massiva que se encontra na frente de um quasar divide a sua imagem singular em quatro. O estudo mais recente, que durou apenas ano e meio, aumenta o número destes quasares quadruplicados conhecidos em cerca de 25% e demonstra o poder da aprendizagem de máquina para ajudar os astrónomos na sua busca por estas extravagâncias cósmicas.
"Os quadruplicados são minas de ouro para todos os tipos de questões. Podem ajudar a determinar o ritmo de expansão do Universo e ajudar a resolver outros mistérios, como a matéria escura e os 'motores centrais' dos quasares," disse Daniel Stern, autor principal do novo estudo e investigador do JPL, que é gerido pelo Caltech para a NASA. "Não são apenas agulhas num palheiro, mas também canivetes suíços, porque têm muitas aplicações."
As descobertas, a serem publicadas na revista The Astrophysical Journal, foram feitas combinando ferramentas de aprendizagem de máquina com dados de vários telescópios terrestres e espaciais, incluindo a missão Gaia da ESA; o WISE (Wide-field Infrared Survey Explorer) da NASA; o Observatório W. M. Keck em Maunakea, Hawaii; o Observatório Palomar do Caltech; o NTT (New Technology Telescope) do ESO; e o telescópio Gemini South no Chile.
Dilema cosmológico
Nos últimos anos, surgiu uma discrepância no que toca ao valor preciso do ritmo de expansão do Universo, também conhecido como constante de Hubble. Dois meios principais podem ser usados para determinar este valor: um baseia-se nas medições da distância e velocidade dos objetos no nosso Universo local, e o outro extrapola o ritmo a partir de modelos baseados na radiação distante remanescente do nascimento do nosso Universo, chamada radiação cósmica de fundo em micro-ondas. O problema é que os números não coincidem.
"Existem erros potencialmente sistemáticos nas medições, mas isso parece cada vez menos provável," diz Stern. "O mais atraente é que a discrepância nos valores pode significar que algo sobre o nosso modelo do Universo está errado e que há uma nova física por descobrir."
As novas imagens quadruplicadas, que a equipa deu alcunhas como "Wolf's Paw" ou "Dragon Kite", vão ajudar nos cálculos futuros da constante de Hubble e podem iluminar porque é que as duas medições principais não estão em concordância. Os quasares ficam entre os alvos locais e distantes usados para os cálculos anteriores, de modo que fornecem aos astrónomos uma maneira de examinar o alcance intermédio do Universo. Uma determinação da constante de Hubble, baseada em quasares, poderia indicar qual dos dois valores está correto ou, talvez mais interessante, poderia mostrar que a constante se situa algures entre o valor determinado localmente e o distante, um possível sinal de física desconhecida.
Ilusões gravitacionais
As imagens multiplicadas de quasares e de outros objetos no cosmos ocorrem quando a gravidade de um objeto em primeiro plano, como uma galáxia, curva e amplia a luz de objetos por trás. O fenómeno, chamado lente gravitacional, já foi visto antes muitas vezes. Às vezes, os quasares ficam com duas imagens; menos frequentemente, mostram quatro imagens.
"Os quadruplicados são melhores dos que os quasares vistos a dobrar para estudos de cosmologia, como a medição da distância dos objetos, porque podem ser modelados perfeitamente," diz o coautor George Djorgovski, professor de astronomia e ciência de dados do Caltech. "São laboratórios relativamente limpos para fazer estas medições cosmológicas."
No novo estudo, os investigadores usaram dados do WISE, que tem resolução relativamente grosseira, para encontrar os prováveis quasares, e depois usaram a resolução nítida do Gaia para identificar quais dos quasares vistos pelo WISE estavam associados com possíveis quasares quadruplicados. Os investigadores então aplicaram ferramentas de aprendizagem de máquina para escolher quais os candidatos mais prováveis para imagens múltiplas e não apenas estrelas diferentes situadas perto uma das outras no céu. As observações de acompanhamento com o LRIS (Low Resolution Imaging Spectrometer) do Observatório Keck, bem como com o Observatório Palomar, com o NTT (New Technology Telescope) e com o Gemini South confirmaram quais os objetos eram de facto quasares quadruplicados situados a milhares de milhões de anos-luz.
Humanos e máquinas trabalham juntos
O primeiro quadruplicado encontrado com a ajuda de aprendizagem de máquina, com a alcunha "Centauru's Victory", foi confirmado durante uma noite que a equipa passou no Caltech, com colaboradores da Bélgica, França e Alemanha, enquanto usavam um computador dedicado no Brasil, lembra o coautor Alberto Krone-Martins da Universidade da Califórnia em Irvine. A equipa estava a observar remotamente os seus objetos usando o Observatório Keck.
"A aprendizagem de máquina foi fundamental para o nosso estudo, mas não pretende substituir as decisões humanas," explica Krone-Martins. "Nós treinamos e atualizamos continuamente os modelos num ciclo de aprendizagem contínua, de forma que os humanos a experiência humana são parte essencial do ciclo. Quando falamos em IA, em referência a ferramentas de aprendizagem de máquina como estas, significa Inteligência Aumentada, não Inteligência Artificial."
"Alberto não só desenvolveu os inteligentes algoritmos de aprendizagem de máquina para este projeto, como também teve a ideia de usar os dados do Gaia, algo que não havia sido feito antes para este tipo de projeto," diz Djorgovski.
"Esta história não se trata apenas de encontrar lentes gravitacionais," realça, "mas também de mostrar como a combinação de grandes conjuntos de dados com aprendizagem de máquina pode levar a novas descobertas."
Este diagrama ilustra como os quasares com imagem quádrupla, são produzidos no céu. A luz de um quasar distante, situado a milhares de milhões de anos-luz, é distorcida pela gravidade de uma galáxia massiva situada à sua frente, vista da perspetiva da Terra. Este dobrar da luz resulta na ilusão, uma espécie de miragem gravitacional, onde o quasar parece ter sido dividido em quatro objetos idênticos que rodeiam a galáxia no plano da frente.
Crédito: R. Hurt (IPAC/Caltech)/Colaboração GraL
