Les données du DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument) Legacy Imaging Surveys ont révélé plus de 1200 nouvelles lentilles gravitationnelles, doublant approximativement le nombre de lentilles connues. Découvert grâce au machine learning entraîné sur des données réelles, ces images déformées et étirées de galaxies lointaines fournissent aux astronomes un flot de nouvelles cibles avec lesquelles mesurer les propriétés fondamentales de l'Univers telles que la constante de Hubble, qui décrit l'Univers en expansion.

Les astronomes à la recherche de lentilles gravitationnelles ont utilisé l'apprentissage automatique pour inspecter le vaste ensemble de données connu sous le nom de DESI Legacy Imaging Surveys, découvrir 1210 nouveaux objectifs. Les données ont été collectées à l'Observatoire interaméricain de Cerro Tololo (CTIO) et à l'Observatoire national de Kitt Peak (KPNO), les deux programmes du NOIRLab de la National Science Foundation. L'ambitieux sondage DESI Legacy Imaging vient d'avoir sa neuvième et dernière publication de données.

Discuté dans des revues scientifiques depuis les années 1930, Les lentilles gravitationnelles sont des produits de la théorie de la relativité générale d'Einstein. La théorie dit qu'un objet massif, comme un amas de galaxies, peut déformer l'espace-temps. Certains scientifiques, dont Einstein, prédit que cette déformation de l'espace-temps pourrait être observable, comme un étirement et une distorsion de la lumière d'une galaxie d'arrière-plan par un amas de galaxies au premier plan. Les lentilles apparaissent généralement dans les images sous forme d'arcs et de stries autour des galaxies de premier plan et des amas de galaxies.

Un seul sur 10, 000 galaxies massives devraient montrer des signes de forte lentille gravitationnelle, et les localiser n'est pas facile. Les lentilles gravitationnelles permettent aux astronomes d'explorer les questions les plus profondes de notre Univers, incluant la nature de la matière noire et la valeur de la constante de Hubble, qui définit l'expansion de l'Univers. Une limitation majeure de l'utilisation des lentilles gravitationnelles jusqu'à présent a été le petit nombre d'entre elles connues.

"Une galaxie massive déforme l'espace-temps autour d'elle, mais généralement vous ne remarquez pas cet effet. Ce n'est que lorsqu'une galaxie est cachée directement derrière une galaxie géante qu'il est possible de voir une lentille, " note l'auteur principal de l'étude, Xiaosheng Huang de l'Université de San Francisco. "Quand nous avons commencé ce projet en 2018, il n'y avait qu'environ 300 lentilles fortes confirmées."

"En tant que co-responsable des enquêtes DESI Legacy, j'ai réalisé que ce serait l'ensemble de données parfait pour rechercher des lentilles gravitationnelles, " explique le co-auteur de l'étude David Schlegel du Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL). " Mon collègue Huang venait de terminer un cours de premier cycle sur l'apprentissage automatique à l'Université de San Francisco, et ensemble, nous avons réalisé que c'était une opportunité parfaite d'appliquer ces techniques à la recherche de lentilles gravitationnelles."

L'étude de lentilles a été possible en raison de la disponibilité de données prêtes pour la science provenant des enquêtes d'imagerie DESI Legacy, qui ont été menées pour identifier des cibles pour les opérations de DESI, et dont le neuvième et dernier ensemble de données vient d'être publié. Ces relevés comprennent un mélange unique de trois projets qui ont observé un tiers du ciel nocturne :le Dark Energy Camera Legacy Survey (DECaLS), observé par la caméra à énergie noire (DECam) sur le télescope de 4 mètres Víctor M. Blanco au CTIO au Chili ; l'enquête Mayall z-band Legacy Survey (MzLS), par la caméra Mosaic3 du télescope de 4 mètres Nicholas U. Mayall à KPNO; et le Beijing-Arizona Sky Survey (BASS) par la caméra 90Prime du télescope Bok de 2,3 mètres, qui est détenu et exploité par l'Université de l'Arizona et situé à KPNO.

« Nous avons conçu le projet d'imagerie Legacy Surveys à partir de zéro en tant qu'entreprise publique, afin qu'il puisse être utilisé par n'importe quel scientifique, " a déclaré le co-auteur de l'étude Arjun Dey, du NOIRLab de la NSF. "Notre enquête a déjà donné plus d'un millier de nouvelles lentilles gravitationnelles, et il y en a sans aucun doute bien d'autres à découvrir.

Les données DESI Legacy Imaging Surveys sont fournies à la communauté astronomique via le Astro Data Lab du Community Science and Data Center (CSDC) de NOIRLab. « Fournir des ensembles de données prêts pour la science pour la découverte et l'exploration est au cœur de notre mission, ", a déclaré Adam Bolton, directeur du CSDC. "Les études d'imagerie héritées de DESI sont une ressource clé qui peut être utilisée pendant des années par la communauté astronomique pour des enquêtes comme celles-ci."

Pour analyser les données, Huang et son équipe ont utilisé le superordinateur du National Energy Research Scientific Computer Center (NERSC) au Berkeley Lab. « Les études d'imagerie héritées de DESI ont été absolument cruciales pour cette étude ; pas seulement les télescopes, instruments, et des installations mais aussi la réduction des données et l'extraction des sources, " explique Huang. " La combinaison de l'étendue et de la profondeur des observations est sans précédent. "

Avec l'énorme quantité de données prêtes pour la science à exploiter, les chercheurs se sont tournés vers une sorte d'apprentissage automatique connu sous le nom de réseau neuronal résiduel profond. Les réseaux neuronaux sont des algorithmes de calcul qui sont quelque peu comparables à un cerveau humain et sont utilisés pour résoudre des problèmes d'intelligence artificielle. Les réseaux de neurones profonds ont de nombreuses couches qui, collectivement, peuvent décider si un objet candidat appartient à un groupe particulier. Pour pouvoir le faire, cependant, les réseaux neuronaux doivent être entraînés à reconnaître les objets en question.

Avec le grand nombre de lentilles candidates maintenant disponibles, les chercheurs peuvent faire de nouvelles mesures de paramètres cosmologiques comme la constante de Hubble. La clé sera de détecter une supernova dans la galaxie de fond, lequel, lorsqu'il est pris par une galaxie au premier plan, apparaîtra comme plusieurs points de lumière. Maintenant que les astronomes savent quelles galaxies présentent des preuves de lentilles puissantes, ils savent où chercher. De nouvelles installations telles que l'observatoire Vera C. Rubin (actuellement en construction au Chili et exploité par NOIRLab) surveilleront de tels objets dans le cadre de sa mission, permettant à n'importe quelle supernova d'être mesurée rapidement par d'autres télescopes.

Les étudiants de premier cycle ont joué un rôle important dans le projet dès le début. Andi Gu, étudiant à l'Université de Californie, a déclaré :"Mon rôle sur le projet m'a permis de développer plusieurs compétences que je pense être la clé de ma future carrière universitaire."

Cette recherche a été présentée dans l'article « Discovering New Strong Gravitational Lenses in the DESI Legacy Imaging Surveys » à paraître dans The Journal d'astrophysique .