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La Muerte de las Supernovas
Científicos chilenos descubren un destello justo antes de la explosión de las estrellas. Entrevista con Francisco Förster, PhD en Física (Universidad de Oxford), Licenciado en Ciencias de la Ingeniería y en Astronomía (Universidad de Chile).
*Algoritmo
Un algoritmo es un conjunto de instrucciones sobre cómo una computadora debe lograr una tarea determinada. Los algoritmos son utilizados por muchas organizaciones para tomar decisiones y asignar recursos basados en grandes volúmenes de datos. Los algoritmos se suelen comparar con las recetas, ya que toman un conjunto específico de ingredientes y los transforman a través de una serie de pasos para arribar a un resultado predecible.
*Machine Learning
Es la técnica dentro de la Inteligencia Artificial que permite que las máquinas aprendan automáticamente. Aprender, en este caso, significa identificar patrones complejos entre un enorme volumen de datos, lo más parecido posible a como lo haría una persona.
*Inteligencia Artificial
El término inteligencia artificial representa un conjunto de disciplinas de software, lógica, informática y filosofía que están destinadas a hacer que las computadoras realicen funciones que se pensaba que eran exclusivamente humanas, como percibir el significado en el lenguaje escrito o hablado, aprender, reconocer expresiones faciales.
Científicos chilenos cambiaron lo que se sabía sobre la muerte de las supernovas, las estrellas más grandes del universo. Gracias al uso de Inteligencia Artificial, supercomputación y técnicas inéditas de ciencias de datos desarrolladas en Chile, detectaron un brillo previo al estallido final que no había sido descripto por los modelos actuales.
El descubrimiento fue realizado por investigadores del Centro de Modelamiento Matemático, del Departamento de Astronomía de la Universidad de Chile (UC), y del Instituto Astrofísica del Milenio (MAS). El equipo liderado por Francisco Förster, se basó en el ojo del Telescopio Blanco de Cerro Tololo, donde está instalada una de las mejores cámaras del planeta.
Las técnicas desarrolladas por este equipo serán claves para interpretar la enorme cantidad de datos que llegará a un nuevo telescopio que se instalará en Chile en 2022 y que permitirá observar el Universo en forma continua.
El descubrimiento fue realizado por investigadores del Centro de Modelamiento Matemático, del Departamento de Astronomía de la Universidad de Chile (UC), y del Instituto Astrofísica del Milenio (MAS). El equipo liderado por Francisco Förster, se basó en el ojo del Telescopio Blanco de Cerro Tololo, donde está instalada una de las mejores cámaras del planeta.
Las técnicas desarrolladas por este equipo serán claves para interpretar la enorme cantidad de datos que llegará a un nuevo telescopio que se instalará en Chile en 2022 y que permitirá observar el Universo en forma continua.
¿Por qué es importante el estudio de las estrellas?
Conocer a las supernovas tiene que ver con conocer nuestro origen. Los elementos químicos más ligeros como el hidrógeno y el litio, se formaron después del Big Bang y son los más abundantes. A partir de ahí y hasta el hierro, los elementos se formaron a lo largo de la vida de las estrellas.
Las estrellas generan los átomos más pesados que dan origen a la vida, y en el caso de las supernovas, se puede llegar hasta el hierro. Un pedazo de hierro que tienes en cualquier parte, se generó en una supernova. Es increíble pensarlo. Por ejemplo, el oro de un anillo, se generó en una fusión de estrellas de neutrones y de alguna manera llegó hasta la tierra. Es impresionante, entretenido y la tecnología hoy en día nos abre muchas posibilidades para seguir descubriendo cosas interesantes.
Conocer a las supernovas tiene que ver con conocer nuestro origen. Los elementos químicos más ligeros como el hidrógeno y el litio, se formaron después del Big Bang y son los más abundantes. A partir de ahí y hasta el hierro, los elementos se formaron a lo largo de la vida de las estrellas.
Las estrellas generan los átomos más pesados que dan origen a la vida, y en el caso de las supernovas, se puede llegar hasta el hierro. Un pedazo de hierro que tienes en cualquier parte, se generó en una supernova. Es increíble pensarlo. Por ejemplo, el oro de un anillo, se generó en una fusión de estrellas de neutrones y de alguna manera llegó hasta la tierra. Es impresionante, entretenido y la tecnología hoy en día nos abre muchas posibilidades para seguir descubriendo cosas interesantes.
Las estrellas generan los átomos más pesados que dan origen a la vida, y en el caso de las supernovas, se puede llegar hasta el hierro. Un pedazo de hierro que tienes en cualquier parte, se generó en una supernova. Es increíble pensarlo.
¿Cómo surge esta investigación en particular y cómo se produce el hallazgo?
La motivación de este estudio era buscar los primeros instantes de la explosión, conocidos como short breakout, es decir, cuando la onda de choque que proviene del interior de la estrella llega a la superficie. La teoría de las estrellas sugería que ese flash debía durar unas horas, lo que nos permitiría estudiar muchas cosas sobre la estrella y sobre la explosión en particular.
Aprovechando la oportunidad de que tenemos acceso a muy bueno telescopios en Chile por la condición atmosférica, empezamos una búsqueda de supernovas en tiempo real, observando la misma región del cielo con una frecuencia muy alta para ver si podíamos detectar este evento.
Armamos un equipo multidisciplinario y coordinamos todo lo relacionado al telescopio, supercomputador, los datos, etcétera. Hicimos observaciones en tiempo real durante seis noches en 2014 y ocho noches en 2015. Pero no encontramos lo que estábamos buscando (el famoso short breakout), y en lugar de eso lo que vimos fue que la luz de la una supernova subía muy rápidamente durante varios días hasta terminar en la explosión.
La motivación de este estudio era buscar los primeros instantes de la explosión, conocidos como short breakout, es decir, cuando la onda de choque que proviene del interior de la estrella llega a la superficie. La teoría de las estrellas sugería que ese flash debía durar unas horas, lo que nos permitiría estudiar muchas cosas sobre la estrella y sobre la explosión en particular.
Aprovechando la oportunidad de que tenemos acceso a muy bueno telescopios en Chile por la condición atmosférica, empezamos una búsqueda de supernovas en tiempo real, observando la misma región del cielo con una frecuencia muy alta para ver si podíamos detectar este evento.
Armamos un equipo multidisciplinario y coordinamos todo lo relacionado al telescopio, supercomputador, los datos, etcétera. Hicimos observaciones en tiempo real durante seis noches en 2014 y ocho noches en 2015. Pero no encontramos lo que estábamos buscando (el famoso short breakout), y en lugar de eso lo que vimos fue que la luz de la una supernova subía muy rápidamente durante varios días hasta terminar en la explosión.
(Vista general del Observatorio Interamericano del Cerro Tololo. David Walker)
¿Qué herramientas utilizaron para poder realizar el hallazgo?
En particular usamos el instrumento DECam en el Telescopio Víctor Blanco en el Observatorio Interamericano de Cerro Tololo en Chile. DECam es una cámara 570 millones de pixeles, una de las más poderosas de existen, capaz de capturar la luz de más de 100 mil galaxias hasta una distancia de 8 mil millones de años luz en cada exposición. Tiene un campo de visión del orden de 3 grados, lo que supone muchos datos para hacer la búsqueda en tiempo real; teníamos que observar un gran volumen de cielo de forma muy rápida.
En particular usamos el instrumento DECam en el Telescopio Víctor Blanco en el Observatorio Interamericano de Cerro Tololo en Chile. DECam es una cámara 570 millones de pixeles, una de las más poderosas de existen, capaz de capturar la luz de más de 100 mil galaxias hasta una distancia de 8 mil millones de años luz en cada exposición. Tiene un campo de visión del orden de 3 grados, lo que supone muchos datos para hacer la búsqueda en tiempo real; teníamos que observar un gran volumen de cielo de forma muy rápida.
Necesitas la ayuda de I.A. y aprendizaje de máquinas para poder filtrar millones y millones de candidatos a supernovas en tiempo real sin tener que pasar por un supervisor humano.
En esta cacería de supernovas tuvieron que desarrollar técnicas de ciencias de datos inéditas en Chile. ¿En qué consisten?
Para realizar el descubrimiento de las supernovas en tiempo real hubo que hacer varios desarrollos, en particular el análisis de imagen. Nos encontramos con muchos eventos de imagen y mucho de computación. Tienes que distribuir la información que te llega de 570 millones de pixeles y procesarla rápidamente. Los datos que se generan en el telescopio son enviados por fibra óptica al supercomputador ubicado en Santiago, que es uno de los más poderosos de Latinoamérica.
Necesitas la ayuda de inteligencia artificial y aprendizaje de máquinas para poder filtrar millones y millones de candidatos a supernovas en tiempo real sin tener que pasar por un supervisor humano. Para ello nos juntamos con gente experta en esta área y entre todos fuimos sacando estos algoritmos para efectivamente poder hacer la clasificación en tiempo real.
Y un paso adicional importante fue tener la herramienta adecuada de visualización. Se pueden hacer muchas cosas automáticamente pero siempre tienes que tener el ojo experto que entienda lo que está pasando. Cuando se encuentra una estrella que podría ser supernova, una vez que pasa por el filtro del a Inteligencia Artificial, hay que mirar y confirmar. Miramos mucho, en el orden de 10 mil en una semana de observación, lo que equivale a un par por minuto.
Para realizar el descubrimiento de las supernovas en tiempo real hubo que hacer varios desarrollos, en particular el análisis de imagen. Nos encontramos con muchos eventos de imagen y mucho de computación. Tienes que distribuir la información que te llega de 570 millones de pixeles y procesarla rápidamente. Los datos que se generan en el telescopio son enviados por fibra óptica al supercomputador ubicado en Santiago, que es uno de los más poderosos de Latinoamérica.
Necesitas la ayuda de inteligencia artificial y aprendizaje de máquinas para poder filtrar millones y millones de candidatos a supernovas en tiempo real sin tener que pasar por un supervisor humano. Para ello nos juntamos con gente experta en esta área y entre todos fuimos sacando estos algoritmos para efectivamente poder hacer la clasificación en tiempo real.
Y un paso adicional importante fue tener la herramienta adecuada de visualización. Se pueden hacer muchas cosas automáticamente pero siempre tienes que tener el ojo experto que entienda lo que está pasando. Cuando se encuentra una estrella que podría ser supernova, una vez que pasa por el filtro del a Inteligencia Artificial, hay que mirar y confirmar. Miramos mucho, en el orden de 10 mil en una semana de observación, lo que equivale a un par por minuto.
¿Cómo se interpretan esos datos, a qué se debe el destello entonces?
Después de tener los primeros datos nos contactamos con teóricos que estudiaban la explosión, particularmente con un grupo en Japón y en especial con Takashi Moriya, que es un colaborador con el que hemos trabajado mucho tiempo.
El brillo se explicaría por el choque entre el gas en expansión de la supernova y un material de origen desconocido que rodea la estrella. La presencia de este material permite extraer parte de la enorme energía producida durante la explosión y convertirla en la luz que pudimos detectar.
La primera evidencia es que había polvo de este material encima de la estrella. Lo más interesante es que este material no está previsto por la teoría, fue un hallazgo, algo nuevo. Y ahora viene la pregunta de cómo se explica esto. Estamos en la fase más especulativa de tratar de entender por qué se genera este material.
Después de tener los primeros datos nos contactamos con teóricos que estudiaban la explosión, particularmente con un grupo en Japón y en especial con Takashi Moriya, que es un colaborador con el que hemos trabajado mucho tiempo.
El brillo se explicaría por el choque entre el gas en expansión de la supernova y un material de origen desconocido que rodea la estrella. La presencia de este material permite extraer parte de la enorme energía producida durante la explosión y convertirla en la luz que pudimos detectar.
La primera evidencia es que había polvo de este material encima de la estrella. Lo más interesante es que este material no está previsto por la teoría, fue un hallazgo, algo nuevo. Y ahora viene la pregunta de cómo se explica esto. Estamos en la fase más especulativa de tratar de entender por qué se genera este material.
(Ilustración animada. NASA/SOFIA/Symbolic Pictures/The Casadonte Group)
¿Y cuáles son las posibles explicaciones?
En los últimos cientos y miles de años antes de quemar el hierro, la estrella empieza a quemar cosas como carbón o silicio, y lo que se especula es que posiblemente durante esta etapa de quema, que es muy turbulenta, es posible que esa dinámica genere algunas ondas de choque que lleguen a la superficie de la estrella y allí empiece a perder material algunos años antes de que explote. Esa es la explicación que hay hasta el momento pero en realidad es especulativo. Todavía no sabemos, faltan observaciones para confirmarlo. Nuestra publicación fue la evidencia, el hallazgo, y las posibles explicaciones de este material.
El hallazgo y la publicación en Nature marcó un hito importante en la comunidad científica. ¿Cómo lo ha vivido el equipo de trabajo y en qué están enfocados en la actualidad?
Esta experiencia nos consolidó como un grupo importante dentro del Centro de Modelamiento Matemático de la UC. Y por otro lado, en la asociación con el Instituto Milenio de Astrofísica, que es una institución que nuclea a muchos astrónomos alrededor de data science. Nos dimos fuerza.
Ahora estamos embarcados en un proyecto grande ya que en el 2022 viene a Chile otro telescopio grande, el Large Synoptic Survey Telescope, que tiene 3000 millones de pixeles y un espejo de 8 metros y va a permitir tomar una película continua del cielo. Cada noche va a detectar 10 millones de cosas cambiando en el universo. También va a estar cerca de Cerro Tololo: en Cerro Cachón.
Pasamos a otra etapa en donde todo el universo está siendo monitoreado. No solamente en óptico sino que también desde el espacio, ondas gravitacionales, nuevos instrumentos, infrarrojos, lo que tú quieras hacer. Contamos con muchas herramientas y necesitamos mucho poder computacional y análisis de datos. El problema ahora se convierte en digerir ese volumen gigante de datos, ponerlo en contexto, en una base de datos, y ser capaces de clasificarlo en tiempo real, decir qué es una supernova, qué es un agujero negro supermasivo, etcétera. El reto es mayor.
Estamos postulando a ser uno de los sistemas en el mundo para recibir este streaming de datos. Dado el volumen de datos, no puede haber infinitos equipos haciendo lo mismo, de modo que estamos participando de un proceso de selección. En nuestra oficina tenemos ocho ingenieros que están a tiempo completo o parcial. Estamos trabajando con muchos ingenieros de ciencias de datos y machine learning. Esto es lo que ahora nos quita el sueño.
En los últimos cientos y miles de años antes de quemar el hierro, la estrella empieza a quemar cosas como carbón o silicio, y lo que se especula es que posiblemente durante esta etapa de quema, que es muy turbulenta, es posible que esa dinámica genere algunas ondas de choque que lleguen a la superficie de la estrella y allí empiece a perder material algunos años antes de que explote. Esa es la explicación que hay hasta el momento pero en realidad es especulativo. Todavía no sabemos, faltan observaciones para confirmarlo. Nuestra publicación fue la evidencia, el hallazgo, y las posibles explicaciones de este material.
El hallazgo y la publicación en Nature marcó un hito importante en la comunidad científica. ¿Cómo lo ha vivido el equipo de trabajo y en qué están enfocados en la actualidad?
Esta experiencia nos consolidó como un grupo importante dentro del Centro de Modelamiento Matemático de la UC. Y por otro lado, en la asociación con el Instituto Milenio de Astrofísica, que es una institución que nuclea a muchos astrónomos alrededor de data science. Nos dimos fuerza.
Ahora estamos embarcados en un proyecto grande ya que en el 2022 viene a Chile otro telescopio grande, el Large Synoptic Survey Telescope, que tiene 3000 millones de pixeles y un espejo de 8 metros y va a permitir tomar una película continua del cielo. Cada noche va a detectar 10 millones de cosas cambiando en el universo. También va a estar cerca de Cerro Tololo: en Cerro Cachón.
Pasamos a otra etapa en donde todo el universo está siendo monitoreado. No solamente en óptico sino que también desde el espacio, ondas gravitacionales, nuevos instrumentos, infrarrojos, lo que tú quieras hacer. Contamos con muchas herramientas y necesitamos mucho poder computacional y análisis de datos. El problema ahora se convierte en digerir ese volumen gigante de datos, ponerlo en contexto, en una base de datos, y ser capaces de clasificarlo en tiempo real, decir qué es una supernova, qué es un agujero negro supermasivo, etcétera. El reto es mayor.
Estamos postulando a ser uno de los sistemas en el mundo para recibir este streaming de datos. Dado el volumen de datos, no puede haber infinitos equipos haciendo lo mismo, de modo que estamos participando de un proceso de selección. En nuestra oficina tenemos ocho ingenieros que están a tiempo completo o parcial. Estamos trabajando con muchos ingenieros de ciencias de datos y machine learning. Esto es lo que ahora nos quita el sueño.
Los investigadores chilenos que participaron de este trabajo, además de Francisco Förster, fueron: Juan Carlos Maureira, Guillermo Cabrera-Vives, Pablo Estévez, Mario Hamuy, Pablo Huentelemu, Pablo Huijse, Jorge Martínez, Gustavo Medina, Felipe Olivares, Giuliano Pignata, Ignacio Reyes, Jaime San Martín y Eduardo Vera. Su investigación fue publicada en la revista Nature Astronomy en el artículo: The delay of shock breakout due to circumstellar material evident in most Type II Supernovae.
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