Η Τεχνητή Νοημοσύνη στο κυνήγι της Σκοτεινής Ύλης

Ήταν θέμα χρόνου να αξιοποιηθεί η Τεχνητή Νοημοσύνη με τη έρευνα για τη σκοτεινή ύλη. Ένας νέος AI αλγόριθμος πρόκειται να αναλύσει εικόνες σμηνών γαλαξιών σε αναζήτηση των αποκαλυπτικών σημείων αυτής της αόρατης ουσίας που περιέργως αποτελεί το 85% της ύλης του Σύμπαντος.

Σύμφωνα με το καθιερωμένο μοντέλο της Κοσμολογίας, κάθε γαλαξίας περιβάλλεται από ένα φωτοστέφανο σκοτεινής ύλης. Παρομοίως, τα σμήνη γαλαξιών είναι διαποτισμένα μέσα σε τεράστια φωτοστέφανα σκοτεινής ύλης, τα οποία μπορούμε να ανιχνεύσουμε έμμεσα. Οι επιστήμονες είναι επίσης σε θέση να προσδιορίσουν την κατανομή της σκοτεινής ύλης σε ένα σμήνος παρατηρώντας τον τρόπο με τον οποίο η βαρυτική της επίδραση κάμπτει τον χώρο, δημιουργώντας έτσι ασθενείς, και μερικές φορές ισχυρούς, βαρυτικούς φακούς. Ωστόσο, παρά τους τεράστιους όγκους σκοτεινής ύλης στο Σύμπαν, κανείς δεν γνωρίζει από τι είναι φτιαγμένη.

Κατά περίσταση, δύο σμήνη γαλαξιών που περιέχουν γαλαξίες, θερμό αέριο και σκοτεινή ύλη, μπορούν να συγκρουστούν. Όταν συμβαίνει αυτό, το πώς εξελίσσεται η σύγκρουση εξαρτάται από τη φύση της σκοτεινής ύλης. 

Όλα εξαρτώνται από μια ιδιότητα της σκοτεινής ύλης που είναι γνωστή ως διατομή αλληλεπίδρασης. Ένας από τους λόγους για τους οποίους οι αστρονόμοι δυσκολεύονται τόσο πολύ να ταυτοποιήσουν την σκοτεινή ύλη είναι ότι δεν φαίνεται να αλληλεπιδρά με την κανονική ύλη, παρά μόνο μέσω της βαρύτητας. Ωστόσο, ορισμένα μοντέλα προβλέπουν ότι τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης μπορούν να αλληλεπιδράσουν μεταξύ τους, και ο βαθμός στον οποίο λαμβάνει χώρα αυτή η αλληλεπίδραση εξαρτάται από τη διατομή αλληλεπίδρασης.

Έτσι, όταν δύο σμήνη γαλαξιών συγκρούονται, η τύχη των αλογόνων σκοτεινής ύλης τους εξαρτάται από αυτή τη διατομή. Εάν η τιμή της διατομής είναι υψηλή, τα σωματίδια των δύο αλογόνων σκοτεινής ύλης που συγκρούονται θα αλληλεπιδράσουν, επιβραδύνοντας τη σκοτεινή ύλη. Οι γαλαξίες, από την άλλη πλευρά, θα πλεύσουν, σπάνια “συγκρουόμενοι” με τον τρόπο που μπορεί να νομίζετε, λόγω των μεγάλων χώρων μέσα στα αστέρια και τα άλλα αντικείμενα μέσα σε αυτά. Εν τω μεταξύ, τα τεράστια νέφη υδρογόνου στο σμήνος συγκρούονται, θερμαίνονται και εκπέμπουν ακτίνες Χ. 

Αν η τιμή της διατομής αλληλεπίδρασης είναι υψηλή, η σκοτεινή ύλη θα διαχωριστεί από τους γαλαξίες και θα κατανεμηθεί πιο κοντά στα καυτά νέφη αερίου.

Εναλλακτικά, αν η σκοτεινή ύλη έχει μικρή διατομή, τότε η σκοτεινή ύλη και οι γαλαξίες θα διαχωρίζονταν, αλλά όχι τόσο πολύ, με τη σκοτεινή ύλη να βρίσκεται μεταξύ των γαλαξιών και του θερμού αερίου. Αν η διατομή είναι μηδενική, που σημαίνει ότι η σκοτεινή ύλη δεν συγκρούεται, τότε θα πρέπει να περιμένουμε ότι οι φωτοστέφανοι της σκοτεινής ύλης θα παραμείνουν μαζί με τους γαλαξίες, καθώς θα περνούν ο ένας μέσα από τον άλλον χωρίς να αλληλεπιδρούν καθόλου.

Ωστόσο, υπάρχουν αρκετές επιπλοκές. Η μία είναι ότι μπορούμε να δούμε μόνο στιγμιότυπα των συγκρούσεων των σμηνών γαλαξιών επειδή αυτές λαμβάνουν χώρα σε κλίμακες χρόνου και απόστασης που είναι πολύ μεγάλες για να αποκαλύψουν την πρόοδο τους σε ανθρώπινη χρονική κλίμακα . Επιπλέον, βλέπουμε αυτά τα στιγμιότυπα όλα σε διαφορετικά στάδια των συγκρούσεων και από διαφορετικές οπτικές γωνίες, οπότε καμία από τις δύο συγχωνεύσεις σμηνών γαλαξιών δεν μοιάζει ακριβώς ίδια, και χρειάζεται εκπαιδευμένο μάτι για να ξεχωρίσει κανείς τι συμβαίνει από κάθε παράδειγμα.

Μια δεύτερη επιπλοκή είναι η επίδραση που μπορεί να έχουν οι άνεμοι ακτινοβολίας από γαλαξίες με ενεργές μαύρες τρύπες. Αυτά τα χαρακτηριστικά συναντώνται συνήθως στους μεγαλύτερους γαλαξίες μέσα σε ένα σμήνος, όπως ο Μ87 στο σμήνος γαλαξιών της Παρθένου. Αυτοί οι άνεμοι ακτινοβολίας, που περιγράφονται ως “ανατροφοδότηση” επειδή επηρεάζουν άμεσα αυτό που τελικά τους υποκινεί, συγκεκριμένα την ύλη που πέφτει προς την κεντρική μαύρη τρύπα. Αυτή η ανατροφοδότηση μπορεί να ωθήσει την ύλη έξω από έναν γαλαξία και στο εξωγαλαξιακό μέσο μέσα σε ένα σμήνος γαλαξιών, έτσι ώστε η συνηθισμένη ύλη να καταλήξει εκεί όπου θα αναμενόταν να βρίσκεται η σκοτεινή ύλη.

Για να βοηθήσει στη διάκριση μεταξύ των πιθανοτήτων, ο David Harvey του Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne στην Ελβετία έχει γράψει έναν AI αλγόριθμο που εκπαιδεύτηκε σε προσομοιωμένες εικόνες συγκρούσεων σμηνών γαλαξιών από το πρόγραμμα BAHAMAS (Baryons and Haloes of Massive Systems) που διεξάγεται από ερευνητές του Πανεπιστημίου Liverpool John Moores, του Πανεπιστημίου Leiden, του Πανεπιστημίου Johns Hopkins και του CNRS στη Γαλλία.

Οι προσομοιώσεις μοντελοποιούν συγκρούσεις σμηνών γαλαξιών με διαφορετικές τιμές διατομής, ακόμη και εκείνες χωρίς καθόλου σκοτεινή ύλη.

Ο Harvey δοκίμασε διάφορες εκδόσεις του αλγορίθμου του, ο οποίος είναι ένα συνεπτυγμένο νευρωνικό δίκτυο (CNN) ικανό να αναγνωρίζει πολύ καλά μοτίβα σε εικόνες. Ο Harvey διαπίστωσε ότι η πιο σύνθετη έκδοση του αλγορίθμου του, με ονομασία “Inception“, ήταν η πιο ακριβής, σημειώνοντας ποσοστό επιτυχίας 80% όταν κλήθηκε να χαρακτηρίσει τις προσομοιωμένες συγκρούσεις σμηνών.

Αρκετά προγράμματα ήδη απεικονίζουν τις συγκρούσεις σμηνών γαλαξιών σε μια προσπάθεια να λύσουν το μυστήριο της σκοτεινής ύλης. Το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble, με τη βοήθεια του παρατηρητηρίου ακτίνων Χ Chandra, απεικονίζει εδώ και αρκετό καιρό συγκρούσεις σμηνών γαλαξιών, με πιο γνωστή τη σμηνοσειρά Bullet Cluster το 2006. Πιο πρόσφατα, ο Ευρωπαϊκός Οργανισμός Διαστήματος (ESA) ξεκίνησε την αποστολή Euclid, η οποία έχει σχεδιαστεί για να μελετήσει το λεγόμενο “Σκοτεινό Σύμπαν“, συμπεριλαμβανομένης της παρουσίας σκοτεινής ύλης στα σμήνη. Και σε μικρότερη κλίμακα, η αποστολή με αερόστατο σε μεγάλο υψόμετρο που ονομάζεται SuperBIT πέταξε γύρω από τον κόσμο για δύο μήνες το 2023 απεικονίζοντας τις συγκρούσεις σμηνών γαλαξιών, πριν κάνει αναγκαστική προσγείωση στην Αργεντινή. Με όλα αυτά τα παρατηρησιακά δεδομένα, και με περισσότερα που πρόκειται να έρθουν, ο αλγόριθμος “Inception” του Harvey θα μας βοηθήσει να βρούμε μια ταχύτερη απάντηση στο γρίφο που είναι η σκοτεινή ύλη.

[via]