La IA está ayudando a los astrónomos a hacer nuevos descubrimientos sobre el Universo

La famosa primera imagen de un agujero negro se volvió dos veces más nítida. Un equipo de investigación utilizó inteligencia artificial para mejorar drásticamente su primera imagen de 2019, que ahora muestra el agujero negro en el centro de la galaxia M87 más oscuro y más grande que la primera imagen representada.

Soy un astrónomo que estudia y ha escrito sobre cosmología, agujeros negros y exoplanetas. Los astrónomos han estado usando IA durante décadas. De hecho, en 1990, los astrónomos de la Universidad de Arizona, donde soy profesor, fueron de los primeros en utilizar un tipo de IA llamado red neuronal para estudiar las formas de las galaxias.

Desde entonces, la IA se ha extendido a todos los campos de la astronomía. A medida que la tecnología se ha vuelto más poderosa, los algoritmos de IA han comenzado a ayudar a los astrónomos a controlar conjuntos de datos masivos y descubrir nuevos conocimientos sobre el universo.

Mejores telescopios, más datos

Desde que la astronomía ha sido una ciencia, ha implicado tratar de dar sentido a la multitud de objetos en el cielo nocturno. Eso era relativamente simple cuando las únicas herramientas eran el ojo desnudo o un simple telescopio, y todo lo que se podía ver eran unos miles de estrellas y un puñado de planetas.

Hace cien años, Edwin Hubble usó telescopios recién construidos para mostrar que el universo está lleno no solo de estrellas y nubes de gas, sino también de innumerables galaxias. A medida que los telescopios continúan mejorando, la gran cantidad de objetos celestes que los humanos pueden ver y la cantidad de datos que los astrónomos necesitan clasificar también han crecido exponencialmente.

Por ejemplo, el Observatorio Vera Rubin en Chile, que pronto se completará, producirá imágenes tan grandes que se necesitarían 1.500 pantallas de televisión de alta definición para ver cada una en su totalidad.

Durante 10 años se espera que genere 0,5 exabytes de datos, unas 50.000 veces la cantidad de información contenida en todos los libros contenidos en la Biblioteca del Congreso.

Hay 20 telescopios con espejos de más de 20 pies (6 metros) de diámetro. Los algoritmos de IA son la única forma en que los astrónomos podrían esperar trabajar con todos los datos disponibles hoy en día. Hay varias formas en que la IA está demostrando ser útil para procesar estos datos.

Seleccionando patrones

La astronomía a menudo implica buscar agujas en un pajar. Alrededor del 99 % de los píxeles de una imagen astronómica contienen radiación de fondo, luz de otras fuentes o la negrura del espacio; solo el 1 % tiene formas sutiles de galaxias tenues.

Los algoritmos de IA, en particular, las redes neuronales que usan muchos nodos interconectados y pueden aprender a reconocer patrones, son perfectamente adecuados para seleccionar los patrones de las galaxias. Los astrónomos comenzaron a utilizar redes neuronales para clasificar las galaxias a principios de la década de 2010. Ahora los algoritmos son tan efectivos que pueden clasificar galaxias con una precisión del 98%.

Esta historia se ha repetido en otras áreas de la astronomía. Los astrónomos que trabajan en SETI, la Búsqueda de Inteligencia Extraterrestre, usan radiotelescopios para buscar señales de civilizaciones distantes.

Al principio, los radioastrónomos escanearon las cartas a simple vista para buscar anomalías que no pudieran explicarse. Más recientemente, los investigadores utilizaron 150 000 computadoras personales y 1,8 millones de científicos ciudadanos para buscar señales de radio artificiales.

Ahora, los investigadores están utilizando la IA para filtrar montones de datos de forma mucho más rápida y exhaustiva que las personas. Esto ha permitido que los esfuerzos de SETI cubran más terreno y al mismo tiempo reduzcan en gran medida la cantidad de señales falsas positivas.

Otro ejemplo es la búsqueda de exoplanetas. Los astrónomos descubrieron la mayoría de los 5.300 exoplanetas conocidos al medir la caída en la cantidad de luz que proviene de una estrella cuando un planeta pasa frente a ella. Las herramientas de IA ahora pueden detectar los signos de un exoplaneta con un 96 % de precisión.
Haciendo nuevos descubrimientos

La IA ha demostrado ser excelente para identificar objetos conocidos, como galaxias o exoplanetas, que los astrónomos le dicen que busque. Pero también es bastante poderoso para encontrar objetos o fenómenos que se teorizan pero que aún no se han descubierto en el mundo real.

Los equipos han utilizado este enfoque para detectar nuevos exoplanetas, conocer las estrellas ancestrales que llevaron a la formación y el crecimiento de la Vía Láctea y predecir las firmas de nuevos tipos de ondas gravitacionales.

Para hacer esto, los astrónomos primero usan IA para convertir modelos teóricos en firmas de observación, incluidos niveles realistas de ruido. Luego usan el aprendizaje automático para agudizar la capacidad de la IA para detectar los fenómenos predichos.

Finalmente, los radioastrónomos también han estado utilizando algoritmos de inteligencia artificial para filtrar señales que no corresponden a fenómenos conocidos. Recientemente, un equipo de Sudáfrica encontró un objeto único que puede ser un remanente de la fusión explosiva de dos agujeros negros supermasivos. Si esto resulta ser cierto, los datos permitirán una nueva prueba de la relatividad general: la descripción del espacio-tiempo de Albert Einstein.

Hacer predicciones y tapar agujeros

Como en muchas áreas de la vida recientemente, la IA generativa y los grandes modelos de lenguaje como ChatGPT también están causando sensación en el mundo de la astronomía.

El equipo que creó la primera imagen de un agujero negro en 2019 utilizó una IA generativa para producir su nueva imagen. Para hacerlo, primero le enseñó a una IA cómo reconocer agujeros negros alimentándola con simulaciones de muchos tipos de agujeros negros.

Luego, el equipo usó el modelo de IA que había construido para llenar los vacíos en la enorme cantidad de datos recopilados por los radiotelescopios en el agujero negro M87.

Usando estos datos simulados, el equipo pudo crear una nueva imagen que es dos veces más nítida que la original y es totalmente consistente con las predicciones de la relatividad general.

Los astrónomos también están recurriendo a la IA para ayudar a controlar la complejidad de la investigación moderna. Un equipo del Centro de Astrofísica Harvard-Smithsonian creó un modelo de lenguaje llamado astroBERT para leer y organizar 15 millones de artículos científicos sobre astronomía.

Otro equipo, con sede en la NASA, incluso propuso usar IA para priorizar proyectos de astronomía, un proceso en el que los astrónomos participan cada 10 años.

A medida que la IA ha progresado, se ha convertido en una herramienta esencial para los astrónomos. A medida que los telescopios mejoren, que los conjuntos de datos sean más grandes y que las IA continúen mejorando, es probable que esta tecnología desempeñe un papel central en los futuros descubrimientos sobre el universo.