La precisión lo es todo cuando se estudia el espacio profundo, y la nueva IA de código abierto ayuda a que los astrónomos, con los pies en la Tierra, puedan explorar mejor el universo
El cosmos se vería mucho mejor si la atmósfera de la Tierra no lo estuviera difuminando todo el tiempo. Esta es una de las razones por las que las agencias espaciales internacionales envían potentes telescopios al espacio exterior para la observación de planetas, estrellas, galaxias y otros cuerpos y fenómenos celestes de forma similar a como lo hace un telescopio en tierra.
Es el caso del famoso Hubble, del observatorio de rayos X Chandra, del Spitzer, del Observatorio Solar y Heliosférico (SOHO), del James Webb, que fue lanzado en diciembre de 2021 con el objetivo de observar algunos de los eventos y objetos más distantes del universo, como la formación de las primeras galaxias y el origen de los sistemas planetarios y la vida; o del chino Xuntian, que podrá acoplarse con la gran estación espacial china en 2024. Pero estos gigantescos ojos espaciales tienen sus inconvenientes, como son su desorbitado coste, la imposibilidad de mantenerlos y su corta vida útil.
Telescopio james Web. Una de las desventajas de los telescopios espaciales es su elevado coste-NASA
Borrosas de nacimiento
Esta es la razón por la que los astrónomos han de contar con la asistencia de los telescopios terrestres si quieren explorar los misterios del universo. Ahora bien, incluso las imágenes obtenidas por los mejores telescopios terrestres del mundo, a pesar de su extraordinaria calidad, son borrosas en mayor o menor grado debido a las bolsas de aire cambiantes de la atmósfera. Esta miopía afecta, por ejemplo, al Very Large Telescope (VLT), del Observatorio Cerro Panal (Chile), capaz de registrar la luz de los objetos más débiles y alejados del universo; a los telescopios ópticos-infrarrojos gemelos del Observatorio Gémini, situados en Hawái y Chile; y a los dos telescopios hawaianos del Observatorio W. M. Keck, los ópticos más potentes del mundo.
La lucha contra las aberraciones ópticas
Aunque aparentemente inofensivo, este desenfoque, conocido técnicamente como aberración óptica, oscurece las formas de los objetos que aparecen recogidos en las imágenes astronómicas, lo que a veces conduce a errores en mediciones físicas que son esenciales para comprender la naturaleza de nuestro cosmos. Dicha interferencia atmosférica, a la que hay que sumar la contaminación lumínica humana, puede frustrar peligrosamente la capacidad de los investigadores para construir imágenes precisas del universo, tanto literal como figurativamente.
La miopía que sufren los telescopios en tierra se ha resuelto de forma parcial con el uso de óptica adaptativa —una técnica óptica que permite contrarrestar las aberraciones causadas por la atmósfera en las imágenes astronómicas—, como la que se aplica en el Very Large Telescope. Pero no soluciona el problema por completo. Para intentar salvar este escollo, investigadores de la Universidad Northwestern (EE. UU.) y la Universidad Tsinghua de Pekín (China) han echado mano de un algoritmo de IA de visión artificial de código abierto, que se utiliza para afinar fotografías y, por primera vez, lo han aplicado a imágenes astronómicas captadas por telescopios terrestres.
El Gran Telescopio Canarias, el mayor telescopio óptico del mundo, jugó un juega un papel clave en el descubrimiento del anillo del planeta enano Quaoar
Para censar el firmamento
Los investigadores también han aprovechado para entrenar al algoritmo de inteligencia artificial en datos simulados para que coincidan con los parámetros de imágenes del Observatorio Vera C. Rubin, que se está construyendo en Chile y que hospeda al llamado Simonyi Survey Telescope, con el que se espera realizar el censo del cielo más preciso jamás acometido.
Bellas y muy útiles
Si bien los astrofísicos ya usan tecnologías para eliminar el desenfoque, el algoritmo impulsado por inteligencia artificial funciona más rápido y produce imágenes de mayor realismo y nitidez. También, por qué no decirlo, son más hermosos, aunque este no es el propósito de la tecnología.
«El objetivo de la fotografía suele radicar en obtener una imagen bonita y atractiva —dice Emma Alexander, directora del Bio Inspired Vision Lab, en la Universidad Northwestern, y autora principal del estudio, que aparece publicado en las Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Ahora bien, las fotos astronómicas se emplean para la ciencia. Al limpiar las imágenes de la manera correcta, podemos obtener datos más precisos. El algoritmo elimina computacionalmente la atmósfera, lo que permite a los físicos obtener mejores mediciones científicas. Al final del día, las imágenes también se ven mejor».
Por qué los telescopios se construyen en altas montañas
La luz que emana de estrellas, planetas y galaxias distantes viaja a través de la atmósfera de la Tierra antes de llegar a nuestros ojos o a la lente de un telescopio. Nuestra turbia atmósfera no solo bloquea ciertas longitudes de onda de la luz, sino que también distorsiona la luz que llega a la Tierra. Incluso los cielos nocturnos despejados todavía contienen aire en movimiento que afecta a la luz que lo atraviesa. Es por ello por lo que las estrellas titilan y por lo que los telescopios terrestres más avanzados y potentes están ubicados a gran altitud, donde la atmósfera es más delgada.
El Gran Telescopio Canarias, el mayor telescopio óptico del mundo, jugó un juega un papel clave en el descubrimiento del anillo del planeta enano Quaoar-IAC
Como mirar al cielo desde el fondo de una piscina
«Es un poco como mirar hacia arriba desde el fondo de una piscina —comenta Alexander—. El agua empuja la luz y la distorsiona. La atmósfera es, por supuesto, mucho menos densa, pero estamos ante un mismo fenómeno». El desenfoque se convierte en un problema cuando los astrofísicos analizan imágenes para extraer de ellas datos cosmológicos. Por ejemplo, al estudiar las formas aparentes de las galaxias, los científicos pueden detectar los efectos gravitatorios de las estructuras cosmológicas a gran escala, que desvían la luz en su camino hacia nuestro planeta.
Esto puede hacer que una galaxia elíptica parezca más redonda o más estirada de lo que realmente es. Pero el desenfoque de las imágenes, ya sea debido al uso de una tecnología de baja resolución o a la interferencia atmosférica, hace que la recopilación de información sea menos confiable y precisa.
«Pequeñas diferencias en la forma de una galaxia pueden informarnos sobre la gravedad en el universo. Y estas sutiles diferencias son difíciles de detectar. Cuando observas una imagen tomada por un telescopio terrestre, una forma determinada puede estar deformada. Y resulta harto complejo saber si la deformación es debida a un efecto gravitatorio o está causada por la atmósfera», explica Alexander.
Imágenes casi un 40 % más nítidas
En este sentido, la herramienta de IA optimizada por esta investigadora y su equipo de colaboradores generó imágenes con aproximadamente un 38 % menos de error, si se comparan con las conseguidas con los métodos clásicos de eliminación de desenfoque, y alrededor de un 7 % menos de error en comparación con los métodos modernos existentes.
Además, la herramienta de IA, la codificación y las pautas del tutorial ya están disponibles online de forma gratuita. En el futuro, cualquier astrónomo interesado en ella podrá descargar y utilizar el algoritmo para mejorar la visión de los telescopios de sus propios observatorios y así obtener datos mejores y más precisos.
Antes y después, todo gracia al enfoque de la IA-Foto Emma Alehander
«Creemos que nuestra aportación en IA podría ser un recurso valioso para que los estudios del cielo cosechen los datos más realistas posibles», concluye la experta.
Hasta entonces, los amantes de la astronomía pueden esperar resultados mucho más detallados del Observatorio Rubin, cuando se inaugure oficialmente en 2024 y comience a explorar el firmamento cambiante, catalogar el Sistema Solar, profundizar en la naturaleza de la materia oscura y la comprensión de la energía oscura y estudiar la estructura y formación de la Vía Láctea.
Artículo publicado por Enrique Coperías
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