La materia oscura (MO), uno de los mayores misterios de la física moderna, y la inteligencia artificial (IA), uno de los grandes saltos tecnológicos que estamos viviendo, ahora se juntan para estudiar el centro de nuestra galaxia.  Y es que en esta región se espera que existan grandes cantidades de MO que podrían ser detectadas por medio de potentes telescopios. Sólo hay un problema, un gran problema de hecho, y es que esta región de la galaxia nos es demasiado desconocida aún como para tener ninguna certeza.

Sin embargo, en un nuevo estudio realizado por investigadores de, entre otras, la Universidad Católica de Chile y el Instituto de Física Corpuscular de Valencia, ha hecho uso de la IA para intentar que el impacto de nuestro desconocimiento sobre el centro galáctico sea lo más pequeño posible en las búsquedas de MO. Los resultados son realmente esperanzadores, y además, muestran que la sinergia entre la Ciencia fundamental y la IA tiene un potencial enorme.

El Dr. Germán Gómez-Vargas durante una charla.

En Rewisor nos hemos puesto en contacto con uno de los autores de este estudio, el Dr. Germán Gómez-Vargas de la Universidad Católica de Chile, experto en la detección de MO, para que nos explique los detalles y los resultados de esta investigación.

No es tan “oscura” como podría parecer…

Poco se sabe de la MO. El paradigma actual establece que, en su mayoría, la MO del Universo esta compuesta por partículas elementales, como los electrones por ejemplo. Sabemos también que la MO interacciona con la materia ordinaria, la que nos compone a nosotros y todo lo que nos rodea, a través de la gravedad. Además, la MO no interacciona con el electromagnetismo, es decir, no interacciona con la luz (de ahí su nombre “oscura”, aunque debo decir que “transparente” sería una elección mucho más acertada).

Sabemos, como decía, que la MO no interacciona con luz (fotones) directamente, sin embargo sí lo hace con otras partículas que sí interaccionan con la luz. Pues bien, podría ocurrir que dos partículas de MO choquen, un proceso conocido como aniquilación de MO. En este choque se podrían producir otras partículas que subsecuentemente decayeran a otras entre las cuales podría haber fotones. Es decir, que aún no interaccionando con la luz, la MO podría producir luz, aunque por supuesto, esta luz sería muy poco intensa.

Algo pasa en el centro de la Vía Láctea

Como decíamos anteriormente, las regiones centrales de las galaxias son sitios extremadamente interesantes para los investigadores que tratan de detectar la luz producida por la MO. En estas zonas la densidad de MO se hace altísima, haciendo que sea mucho más probable que dos partículas de MO choquen produciendo, como hemos explicado, luz.

Desde el año 2009 se sabe que existe una fuente de luz proveniente del centro de nuestra galaxia cuyas características serían muy parecidas a lo que uno esperaría si fuera producida por MO. Es lo que se ha venido a llamar el exceso del centro galáctico y fue detectada por el telescopio espacial Fermi. ¿Exceso? ¿por qué exceso? Bueno, en este tipo de experimentos para estar seguro de que se está viendo una señal de una fuente, como la MO, uno ha de estar seguro que todo lo demás que ve no es MO. Para decir que existe un exceso sobre “lo esperado”, tenemos que saber qué esperamos, y aquí está el problema. Nuestro desconocimiento del centro de la galaxia nos hace muy difícil decir qué es esperado y qué no.

Así ve el cielo en rayos gamma el telescopio espacial Fermi. Crédito: NASA/DOE/Fermi LAT Collaboration

“Desde el punto de vista experimental aún estamos comenzando a explorar el espacio de posibilidades planteadas por físicos teóricos sobre la naturaleza fundamental de la MO. Pronto los nuevos instrumentos, como el CTA, serán lo suficientemente sensibles como para detectar un exceso. Estamos trabajando en nuevas técnicas de análisis de datos para poder aislarla de forma convincente de otros fenómenos” nos comenta Gómez-Vargas.

¿Es real el exceso del centro de la galaxia?

Esta bien establecido que hay un exceso en el flujo de rayos gamma(luz de alta energía como la que generaría la MO) que observamos con el telescopio espacial Fermi” dice Gómez-Vargas. “No obstante, antes de Fermi no sabíamos mucho sobre los objetos astrofísicos que generan radiación gamma. En particular, nos hemos encontrado con una gran cantidad de estrellas muertas y estrellas zombie (pulsars y millisecond pulsars, respectivamente)”.

“El estatus actual de la situación es que tenemos un exceso pero desconocemos su naturaleza, puede ser debido a una población de estrellas, las Burbujas de Fermi, aniquilación de materia oscura, o lo que a mi parecer es más interesante, una combinación de todas las anteriores”, comenta Gómez-Vargas.

Recreación de un pulsar.

La ayuda de la IA

Así que, como vemos, la dificultad de este tipo de análisis reside en poder distinguir qué fuentes de luz son objetos astrofísicos y cuales son MO. Como, desgraciadamente, aún no podemos viajar al centro de nuestra galaxia y ver que ocurre, los modelos de lo que allí ha de haber tienen que ser muy realistas y complejos.

“Muchos trabajos anteriores se han basado en determinar si el exceso existe o no, y en el caso de encontrarlo determinar sus propiedades, básicamente distribución espacial y espectral. Nosotros planteamos un método novedoso con el cual determinar la fracción del exceso debida a aniquilación de MO (o cualquier otra fuente difusa similar). Una diferencia fundamental con respecto a trabajos anteriores es el uso de IA, esto abre el camino a nuevos trabajos en el campo de astropartículas utilizando esta tecnología.” nos dice Gómez-Vargas.

La principal ventaja que veo en el uso de la inteligencia artificial es su poder para detectar patrones en los datos. Por ejemplo, aquellos debidos a combinaciones complejas de fenómenos individuales que la “inteligencia natural” difícilmente detecta. Esperamos que la MO genere una señal subdominante en los experimentos, tal vez usando IA se pueda determinar una señal única, que se nos escapa, diferente a lo que hemos estado buscando pero que sin embargo aparece en los datos”.

Las ventajas del uso de la IA

“La IA es un nuevo mundo. Ofrece un abanico de posibilidades para la aplicación a diversos problemas de astropartículas. Sin embargo, puede ser algo engañoso, al final la IA es una herramienta, hay que saber usarla de forma adecuada, entendiendo para qué se usa y cuales son sus limitaciones, y sobretodo, no llegar a conclusiones incorrectas.” comenta Gómez-Vargas.

“Una cosa que he aprendido es la importancia de los datos. La IA es útil en la medida en la que se tengan buenos datos, y en gran cantidad. Esto no solo es así en el mundo de la Ciencia, también lo es para los datos que ofrecemos a grandes compañías como Google o Facebook, de forma gratuita además”.

“Este trabajo nos ha permitido entrar en el mundo de la IA, en particular, en el aprendizaje profundo de máquinas (deep machine learning). Esto es algo ya muy usado en la industria. Se sabe que funciona pero curiosamente carece de un sustento teórico, es decir, nadie sabe porque funciona. Creo que cuando logremos tener bases teóricas para esta tecnología vamos a avanzar mucho, no solo en el desarrollo de la IA sino también en el conocimiento de como funciona nuestro propio cerebro“, añade Gómez-Vargas.

IA vs MO en el centro galáctico

Parece claro que el uso de la IA supone un paso más allá en el análisis de datos. Hasta ahora, los métodos estadísticos que se usaban en el campo de las astropartículas (denominados genéricamente frecuentista y Bayesiano) tenían un sesgo relativamente grande de lo que se esperaba encontrar en los datos.

“Nosotros planteamos un método, pero aún necesitamos modelos mucho más sofisticados que los que usamos en el este trabajo para poder descartar que el exceso sea producido por MO. De todas formas, lo interesante de este método es que no descartaría la MO, solo nos dice cual sería su contribución máxima al exceso, lo que a mi parecer es más útil y realista.” concluye Gómez-Vargas.

Parece que habrá esperar aún un tiempo hasta que podamos decir con certeza si este exceso de fotones proveniente de la región interna de la galaxia es o no es MO. Lo que parece seguro es que el uso de la IA empieza a hacerse un hueco en la Ciencia fundamental, y esperemos que esto traiga consigo avances que aún a día de hoy siquiera podamos imaginar.