Astronomer kan fortsätta hela sin karriär utan att hitta ett nytt föremål på himlen. Men för Lina Necib, en postdoktor i teoretisk fysik vid Caltech, upptäckten av en klunga stjärnor i Vintergatan, men inte född av Vintergatan, kom tidigt – med lite hjälp från superdatorer, Gaia rymdobservatorium, och nya metoder för djupinlärning.

Skriver in Natur astronomi Denna vecka, Necib och hennes medarbetare beskriver Nyx, en stor ny stjärnström i närheten av solen, som kan ge den första indikationen på att en dvärggalax hade smält samman med Vintergatans skiva. Dessa stjärnströmmar tros vara klothopar eller dvärggalaxer som har sträckts ut längs sin omloppsbana av tidvattenkrafter innan de förstördes helt.

Upptäckten av Nyx tog en slingrig väg, men en som återspeglar det mångfacetterade sättet som astronomi och astrofysik studeras på idag.

BRAND i kosmos

Necib studerar kinematik – eller rörelser – hos stjärnor och mörk materia i Vintergatan. "Om det finns några klumpar av stjärnor som rör sig tillsammans på ett visst sätt, det brukar säga att det finns en anledning till att de flyttar ihop."

Sedan 2014, forskare från Caltech, Northwestern University, UC San Diego och UC Berkeley, bland andra institutioner, har utvecklat mycket detaljerade simuleringar av realistiska galaxer som en del av ett projekt kallat FIRE (Feedback In Realistic Environments). Dessa simuleringar inkluderar allt forskarna vet om hur galaxer bildas och utvecklas. Med utgångspunkt från den virtuella motsvarigheten till tidens början, simuleringarna producerar galaxer som ser ut och fungerar ungefär som våra egna.

Kartläggning av Vintergatan

Parallellt med FIRE-projektet, rymdobservatoriet Gaia lanserades 2013 av European Space Agency. Dess mål är att skapa en utomordentligt exakt tredimensionell karta över cirka en miljard stjärnor över hela Vintergatan och bortom den.

"Det är den största kinematiska studien hittills. Observatoriet tillhandahåller en miljard stjärnors rörelser, " förklarade hon. "En delmängd av det, sju miljoner stjärnor, har 3D-hastigheter, vilket innebär att vi kan veta exakt var en stjärna är och dess rörelse. Vi har gått från mycket små datamängder till att göra massiva analyser som vi inte kunde göra tidigare för att förstå strukturen på Vintergatan."

Upptäckten av Nyx involverade att kombinera dessa två stora astrofysikprojekt och analysera dem med metoder för djupinlärning.

Bland frågorna som både simuleringarna och himmelundersökningen tar upp är:Hur blev Vintergatan vad den är idag?

"Galaxer bildas genom att svälja andra galaxer, " sa Necib. "Vi har antagit att Vintergatan hade en lugn fusionshistoria, och ett tag handlade det om hur tyst det var eftersom våra simuleringar visar på många sammanslagningar. Nu, med tillgång till många mindre strukturer, vi förstår att det inte var så tyst som det verkade. Det är väldigt kraftfullt att ha alla dessa verktyg, data och simuleringar. Alla måste användas på en gång för att reda ut detta problem. Vi är i början av att verkligen kunna förstå bildningen av Vintergatan."

Tillämpar djupinlärning på Gaia

En karta över en miljard stjärnor är en blandad välsignelse:så mycket information, men nästan omöjligt att analysera av mänsklig uppfattning.

"Innan, astronomer var tvungna att leta och rita mycket, och kanske använda några klustringsalgoritmer. Men det är inte riktigt möjligt längre, " sa Necib. "Vi kan inte stirra på sju miljoner stjärnor och ta reda på vad de gör. Vad vi gjorde i den här serien av projekt var att använda Gaia skenkataloger."

Gaia låtsaskatalog, utvecklad av Robyn Sanderson (University of Pennsylvania), frågade i huvudsak:'Om FIRE-simuleringarna var verkliga och observerade med Gaia, vad skulle vi se?

Necibs samarbetspartner, Bryan Ostdiek (tidigare vid University of Oregon, och nu vid Harvard University), som tidigare varit involverad i projektet Large Hadron Collider (LHC), hade erfarenhet av att hantera enorma datamängder med hjälp av maskin- och djupinlärning. Att överföra dessa metoder till astrofysik öppnade dörren till ett nytt sätt att utforska kosmos.

"På LHC, vi har otroliga simuleringar, men vi är oroliga för att maskiner som tränas på dem kan lära sig simuleringen och inte riktig fysik, " sa Ostdiek. "På ett liknande sätt, FIRE-galaxerna ger en underbar miljö för att träna våra modeller, men de är inte Vintergatan. Vi var tvungna att lära oss inte bara vad som kunde hjälpa oss att identifiera de intressanta stjärnorna i simulering, men också hur man får detta att generalisera till vår verkliga galax."

Teamet utvecklade en metod för att spåra varje stjärnas rörelser i de virtuella galaxerna och märka stjärnorna som antingen födda i värdgalaxen eller samlade som produkter av galaxsammanslagningar. De två typerna av stjärnor har olika signaturer, även om skillnaderna ofta är subtila. Dessa etiketter användes för att träna modellen för djupinlärning, som sedan testades på andra FIRE-simuleringar.

Efter att de byggt katalogen, de tillämpade det på Gaia-data. "Vi frågade det neurala nätverket, "Baserat på vad du har lärt dig, kan du märka om stjärnorna har samlats eller inte?'" sa Necib.

Modellen rankade hur säker det var att en stjärna föddes utanför Vintergatan på ett intervall från 0 till 1. Teamet skapade en cutoff med en tolerans för fel och började utforska resultaten.

Detta tillvägagångssätt att tillämpa en modell som tränats på en datauppsättning och tillämpa den på en annan men relaterad modell kallas transfer learning och kan vara fylld av utmaningar. "Vi behövde se till att vi inte lär oss konstgjorda saker om simuleringen, men egentligen vad som händer i data, " sade Necib. "För det, vi var tvungna att ge den lite hjälp och säga åt den att väga om vissa kända element för att ge den lite av ett ankare."

De kollade först för att se om det kunde identifiera kända egenskaper hos galaxen. Dessa inkluderar "Gaia-korven" - resterna av en dvärggalax som slogs samman med Vintergatan för cirka sex till tio miljarder år sedan och som har en distinkt korvliknande omloppsform.

"Den har en mycket specifik signatur, " förklarade hon. "Om det neurala nätverket fungerade som det skulle, vi borde se den här enorma strukturen som vi redan vet finns där."

Gaia-korven var där, likaså den stjärngloria – bakgrundsstjärnor som ger Vintergatan dess berättelseform – och Helmiströmmen, en annan känd dvärggalax som slogs samman med Vintergatan i det avlägsna förflutna och upptäcktes 1999.

Första iakttagelsen:Nyx

Modellen identifierade en annan struktur i analysen:en klunga med 250 stjärnor, roterar med Vintergatans skiva, men också att gå mot galaxens mitt.

"Din första instinkt är att du har en bugg, " berättade Necib. "Och du är som, 'Å nej!' Så, Jag berättade inte för någon av mina medarbetare på tre veckor. Sedan började jag inse att det inte är en bugg, det är faktiskt verkligt och det är nytt."

Men tänk om det redan hade upptäckts? "Du börjar gå igenom litteraturen, se till att ingen har sett den och som tur är för mig, ingen hade. Så jag måste namnge det, vilket är det mest spännande inom astrofysik. Jag kallade det Nyx, nattens grekiska gudinna. Denna speciella struktur är väldigt intressant eftersom det skulle ha varit väldigt svårt att se utan maskininlärning."

Projektet krävde avancerad datoranvändning i många olika skeden. FIRE och uppdaterade FIRE-2-simuleringar är bland de största datormodellerna av galaxer som någonsin försökts. Var och en av de nio huvudsimuleringarna - tre separata galaxformationer, var och en med lite olika utgångspunkt för solen – det tog månader att beräkna den största, snabbaste superdatorerna i världen. Dessa inkluderade Blue Waters vid National Center for Supercomputing Applications (NCSA), NASA:s avancerade datoranläggningar, och senast Stampede2 vid Texas Advanced Computing Center (TACC).

Forskarna använde kluster vid University of Oregon för att träna modellen för djupinlärning och för att tillämpa den på den enorma Gaia-datauppsättningen. De använder för närvarande Frontera, det snabbaste systemet på något universitet i världen, att fortsätta arbetet.

"Allt med det här projektet är beräkningsintensivt och skulle inte kunna hända utan storskalig datoranvändning, sa Necib.

Framtida steg

Necib och hennes team planerar att utforska Nyx ytterligare med markbaserade teleskop. Detta kommer att ge information om den kemiska sammansättningen av strömmen, och andra detaljer som kommer att hjälpa dem att datera Nyx ankomst till Vintergatan, och eventuellt ge ledtrådar om var den kom ifrån.

Nästa datasläpp om Gaia 2021 kommer att innehålla ytterligare information om 100 miljoner stjärnor i katalogen, gör fler upptäckter av ackreterade kluster troliga.

"När Gaia-uppdraget började, astronomer visste att det var en av de största datamängder som de skulle få, med mycket att glädjas över, ", sa Necib. "Men vi behövde utveckla våra tekniker för att anpassa oss till datamängden. Om vi ​​inte ändrade eller uppdaterade våra metoder, vi skulle gå miste om fysik som finns i vår datauppsättning."

Framgångarna med Caltech-teamets tillvägagångssätt kan ha en ännu större inverkan. "Vi utvecklar beräkningsverktyg som kommer att vara tillgängliga för många forskningsområden och för icke-forskningsrelaterade saker, för, ", sa hon. "Det är så vi tänjer på den tekniska gränsen i allmänhet."