کالیبراسیون انتقال‌به‌سرخ کهکشانها با شبکه‌های عصبی مصنوعی، از ملزومات کیهان‌شناسی دقیق
آزمایش‌های رده چهار انرژی تاریک، از جمله یوکلید(۱)، ال‌ال‌اس‌تی(۲)، و دابل‌یو‌فرست(۳) برای اندازه‌گیری رشد ساختارها در سه بعد از طریق همگرایی گرانشی ضعیف، به انتقال‌به‌سرخ‌های با دقت بسیار بالا برای میلیارد‌ها کهکشان نیاز دارند. خطا‌های کوچک (۰.۰۰۲<) در اندازه‌گیری انتقال‌به‌سرخ می‌توانند به سادگی اکثریت بودجه‌ی خطا در اندازه‌گیری پارامتر‌های کیهان‌شناسی در این آزمایش‌ها را در برگیرند. با وجود پیشرفت‌های بسیار، متوسط خطای انتقال‌به‌سرخ‌های نورسنجی (۰.۰۲) یک مرتبه بزرگی بیشتر از میزان دقت مورد نیاز در کیهان‌شناسی با همگرایی ضعیف گرانشی است. از آنجا که امکان طیف‌سنجی برای تمامی کهکشانها وجود ندارد و داده‌های رصدی حاصل از این آزمایش‌ها برای همگرایی گرانشی ضعیف تنها حاوی نورسنجی در فیلترهای مرئی و فروسرخ با پهنای بالا هستند، انتقال‌به‌سرخ‌ها به ناچار از طریق نورسنجی یا همان رنگ کهکشانها (تفاوت نورسنجی در دو فیلتر) در فیلترهای متمادی اندازه‌گیری می‌شوند. با این حال، انتقال‌به‌سرخ‌های طیف‌سنجی برای تعداد محدودتر از کهکشانها می‌توانند برای کالیبره‌کردن توزیع انتقال‌به‌سرخ‌های نورسنجی و کاهش خطا به کار روند. چگونگی انتخاب و طیف‌سنجی این کهکشانها موضوعی است که در این مقاله به آن پرداخته‌اند.
شکل ۱- شبکه مستطیلی سام، آموزش داده شده با رنگ کهکشانها در هفت فیلتر متمادی مریی و فروسرخ. سمت چپ: رنگ‌آمیزی شده با متوسط انتقال‌یه‌سرخ نورسنجی کهکشانها در هر سلول. وسط: رنگ‌آمیزی شده با متوسط انتقال به سرخ طیف‌سنجی در سلول‌های حاوی کهکشان طیف‌نگاری شده. سمت راست: رنگ‌آمیزی شده با تعداد کهکشانها در هر سلول.
محققان این مقاله، از گروهی از شبکه‌های عصبی مصنوعی به نام نقشه‌ی خودسامان(۴) (به اختصار سام) استفاده می‌کنند. از کاربردهای اصلی سام، کاهش فضای چند بعدی به (معمولا) دو بعد، در عین حفظ توپولوژی است. این بدان معناست که داده‌هایی که در ابعاد بالا در همسایگی هم هستند، در دو بعد نیز نزدیک هم خواهند بود. سام شامل شبکه‌ای مستطیلی از سلول‌ها یا نورون‌هاست که هر سلول بردار وزنی با ابعاد داده‌های اولیه دارد. در فاز آموزش، سلول‌های شبکه وزن‌های خود را تغییر (سامان) می‌دهند تا شبیه‌تر به داده‌های ورودی شوند. پس از پایان آموزش وزن‌های سلول‌های شبکه توزیعی مشابه با داده‌های اولیه خواهند داشت.
هدف استفاده از سام در این تحقیق یافتن رابطه‌ی رنگ‌های کهکشانها و انتقال‌به‌سرخ است. با قرارگرفتن کهکشان‌هایی با رنگ‌های مشابه در کنار هم، نه تنها انتخاب تعداد محدود کهکشان برای طیف‌سنجی امکان‌پذیر می‌شود، بلکه مشخص می‌شود چه گروه‌هایی از کهکشانها پیش از این طیف‌سنجی نشده‌اند.
شکل ۲- شبکه مستطیلی سام، آموزش داده شده با رنگ کهکشانها در هفت فیلتر متمادی مریی و فروسرخ رنگ‌آمیزی شده با متوسط انتقال به سرخ طیف‌سنجی در سلول‌های حاوی کهکشان طیف‌نگاری شده. سمت راست: پیش از این تحقیق. وسط: اضافه شده در این تحقیق. سمت چپ: تمامی طیف‌های موجود و گرفته شده تا اینجا.
کهکشان‌هایی که در این تحقیق جهت آموزش سام استفاده شده‌اند، از قسمتی از آسمان (کاسموس(۵)) با داده‌های از پیش رصدشده در فیلترهایی مشابه فیلترهایی که در ماموریت فضایی یوکلید و تلسکوپ زمینی ال‌ال‌اس‌تی استفاده خواهند شد، انتخاب شده‌اند. فضای چندبعدی (هفت‌بعدی) در اینجا متشکل از هفت رنگ در فیلترهای مرئی و فروسرخ کهکشانها است. سلول‌های سام بعد از فاز آموزش وزن‌هایی مشابه این کهکشانها خواهند داشت و سلول‌هایی که در شبکه‌ی دو بعدی سام نزدیک به هم هستند، وزن‌هایی مشابه و در نتیجه نماینده‌ی کهکشان‌هایی با رنگ‌های مشابه هستند. تصویر سمت چپ شکل ۱، شبکه‌ی آموزش دیده‌شده در این تحقیق را نشان می‌دهد که با متوسط انتقال‌به‌سرخ نورسنجی کهکشانها در هر سلول رنگ‌آمیزی شده است. همان‌طور که انتظار می‌رود، کهکشان‌هایی که روی شبکه‌ی سام نزدیک هستند، انتقال‌به‌سرخ‌های نزدیک هم دارند. تصویر میانی شکل ۱، سلول‌هایی را نشان می‌دهد که انتقال‌به‌سرخ طیف‌سنجی برای آن‌ها وجود دارد.
این گروه در مقاله‌ای پیش از این در سال ۲۰۱۵ نشان دادند برای کالیبره‌سازی انتقال‌به‌سرخ‌های نورسنجی تا دقت مورد نیاز همگرایی گرانشی ضعیف، نیاز به حداقل یک انتقال‌به‌سرخ طیف‌سنجی در هر سلول است. به این منظور زمان زیادی جهت طیف‌سنجی با تلسکوپ‌های زمینی کک(۶)، جی‌تی‌سی(۷)، و وی‌ال‌تی(۸) تاکنون به این گروه تعلق گرفته است. اولویت‌بندی رصد کهکشانها با این تلسکوپ‌ها از روی شبکه‌ی سام، در مناطقی که چگالی کهکشانها بیشتر است (تصویر سمت راست شکل ۱) و طیف‌سنجی وجود ندارد، انجام گرفته است. نتایج این تلاش تا پایان نیم‌فصل اول سال ۲۰۱۶، شامل پنج شب رصد با تلسکوپ کک و ۱۲۸۳ انتقال‌به‌سرخ دقیق از کهکشان‌های است که پیش از این مشابهی در داده‌های طیف‌سنجی نداشته‌اند. شکل ۲، این داده‌های اضافه‌شده را بر روی شبکه‌ی سام نشان می‌دهد. کالیبراسیون کامل رابطه‌ی رنگ و انتقال‌به‌سرخ نیاز به حدود ۴۰ شب رصد با تلسکوپ کک دارد که در حال انجام است.
(۱) Euclid
(۲) LSST
(۳) WFIRST
(۴) Self Organizing Maps, SOM
(۵) COSMOS
(۶) Keck
(۷) GTC, Gran Telescopio Canarias
(۸) VLT, Very Large Telescope
عنوان اصلی مقاله: The Complete Calibration of the Color–Redshift Relation (C3R2) Survey: Survey Overview and Data Release 1
نویسندگان: Masters, Daniel C. et. al
این مقاله برای انتشار در نشریه ApJ فرستاده شده است.
لینک مقاله‌ی اصلی: http://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/aa6f08/pdf
گردآوری: شوبانه همتی
