Έλληνες έριξαν φως στη διαδικασία γέννησης νέων άστρων. A giant 'singing' cloud in space will help us to understand how star systems form

Με τη βοήθεια του «μαγνητικού τραγουδιού» ενός μεσοαστρικού νέφους. This snakelike gas cloud (center dark area) in the constellation Musca resembles a skinny filament. But it’s actually a flat sheet that extends about 20 light-years into space away from Earth, an analysis finds. Credit: Flickr/cafuego, CC BY-SA

Ένα σημαντικό βήμα προόδου για την κατανόηση της διαδικασίας με την οποία γεννιούνται τα άστρα, πραγματοποίησαν Έλληνες επιστήμονες από το Πανεπιστήμιο Κρήτης και το Ίδρυμα Τεχνολογίας και Έρευνας (ΙΤΕ).

3-D model of Musca molecular cloud. Aris Tritsis, ANU, Author provided

Για πρώτη φορά διεθνώς, οι Έλληνες ερευνητές κατάφεραν να «χαρτογραφήσουν» τρισδιάστατα ένα μεσοαστρικό μοριακό νέφος αερίων και σκόνης, δηλαδή μια περιοχή όπου γεννιούνται νέα άστρα, καθώς ανακάλυψαν ότι το μαγνητικό πεδίο του δονείται σαν καμπάνα.

Άνοιξαν έτσι τον δρόμο για την επίλυση ενός από τα μεγαλύτερα μυστήρια στην αστροφυσική: Τι καθορίζει τον αριθμό και το είδος των άστρων και των πλανητών που δημιουργούνται στο γαλαξία μας;

Η ανακάλυψη, η οποία δημοσιεύθηκε στο Science, ήταν ο πυρήνας της διδακτορικής διατριβής του Δρ Άρη Τρίτση, την οποία ολοκλήρωσε στο Τμήμα Φυσικής του Πανεπιστημίου Κρήτης υπό την επίβλεψη του καθηγητή Κώστα Τάσση. Βασίστηκε σε θεωρητικές και πειραματικές μελέτες των δύο ερευνητών στο Πανεπιστήμιο Κρήτης και στο ΙΤΕ, καθώς επίσης και σε δεδομένα από τη διαστημική αποστολή Herschel του Eυρωπαϊκού Διαστημικού Οργανισμού (ESA).

«Η διαδικασία της αστρογένεσης παραμένει ένα από τα μεγαλύτερα άλυτα προβλήματα στην αστροφυσική» δήλωσε ο κ. Τάσσης στο Αθηναϊκό και Μακεδονικό Πρακτορείο Ειδήσεων. «Γνωρίζουμε ότι τα αστέρια γεννιούνται σε μεσοαστρικά νέφη αερίου ‘αστρονομικών’ διαστάσεων, όμως τί ακριβώς συμβαίνει για να φτάσουμε από το νέφος σε άστρα όπως ο Ήλιος μας, καθώς και στους πλανήτες, είναι ακόμη μυστήριο. Τι καθορίζει αν ένα νέφος θα φτιάξει πολλά μικρά άστρα ή λίγα μεγάλα; Τι ποσοστό από το αέριο του νέφους θα μετατραπεί σε αστέρια και πόσο θα ανακυκλωθεί;»

Οι φυσικές διεργασίες που καθορίζουν τη διαδικασία της αστρογένεσης, αφήνουν το αποτύπωμά τους στο τρισδιάστατο σχήμα των νεφών αυτών. Αυτά τα ίχνη θα μπορούσαν να βοηθήσουν τους επιστήμονες να αποκρυπτογραφήσουν τις φυσικές διεργασίες της γέννησης των άστρων. Όμως αυτό ήταν ως τώρα αδύνατο, καθώς ακόμη και τα πλέον προηγμένα τηλεσκόπια μπορούν να χαρτογραφήσουν μονάχα τη δισδιάστατη προβολή των νεφών στον ουρανό και όχι την τρισδιάστατη δομή τους.

Αυτή ακριβώς είναι η «πρωτιά» των Ελλήνων ερευνητών. Μελέτησαν την περίπτωση του Musca, ενός μεγάλου απομονωμένου νέφους, ορατού από το νότιο ημισφαίριο της Γης, που μοιάζει στον ουρανό με λεπτό κύλινδρο σαν βελόνα. Το νέφος, που αποτελείται κυρίως από μοριακό υδρογόνο και βρίσκεται σε απόσταση 570 ετών φωτός από τη Γη λίγο κάτω από τον αστερισμό του Σταυρού του Νότου, έχει μήκος περίπου 27 ετών φωτός και βάθος 20 ετών φωτός, σύμφωνα με τις εκτιμήσεις των ερευνητών.

No longer a thin cylinder when the extra dimension is revealed (Aris Tritsis)

Οι Έλληνες επιστήμονες ανακάλυψαν ότι το μαγνητικό πεδίο του Musca δονείται ολόκληρο, παράγοντας ήχους, οι συχνότητες των οποίων αποκαλύπτουν το πραγματικό τρισδιάστατο σχήμα του, όπως ακριβώς οι συχνότητες ενός μουσικού οργάνου: άλλος ο ήχος από ένα μικρό ταμπούρλο και άλλος από ένα μεγάλο τύμπανο. Με τον ίδιο περίπου τρόπο υπολόγισαν ότι το πλάτος του είναι συγκρίσιμο με το ορατό μήκος του νέφους στον ουρανό.

«Το Musca είναι το μεγαλύτερο αντικείμενο στον Γαλαξία που πάλλεται ολόκληρο», σύμφωνα με τον κ.Τρίτση, ο οποίος είναι σήμερα μεταδιδακτορικός υπότροφος στη Σχολή Αστρονομίας και Αστροφυσικής του Εθνικού Πανεπιστημίου της Αυστραλίας (ANU) στην Καμπέρα. «Η γνώση του τρισδιάστατου σχήματος των νεφών θα βελτιώσει σημαντικά την κατανόησή μας γι’ αυτά τα ‘μαιευτήρια’ άστρων και τη γέννηση του δικού μας ηλιακού συστήματος. Το Musca μπορεί πλέον να χρησιμοποιηθεί ως εργαστήριο για τον έλεγχο των θεωριών σχετικά με το σχηματισμό των άστρων και της σκόνης».

Όπως δήλωσε στο ΑΠΕ-ΜΠΕ ο κ. Τάσσης, «αυτή είναι η πρώτη φορά που διακρίναμε το «τραγούδι» ενός αντικειμένου τέτοιου μεγέθους, το πρώτο αντικείμενο στο Γαλαξία για το οποίο αναγνωρίστηκαν τέτοιες χαρακτηριστικές συχνότητες μαγνητικών δονήσεων. Είναι επίσης η πρώτη φορά που το «μαγνητικό τραγούδι» ενός νέφους χρησιμοποιήθηκε για την αποκρυπτογράφηση του πραγματικού του σχήματος. Είναι ιδιαίτερη χαρά για μας ότι αυτή η έρευνα πραγματοποιήθηκε όχι μόνο από Έλληνες επιστήμονες, αλλά και εντός Ελλάδας, στο Πανεπιστήμιο Κρήτης και το ΙΤΕ, και είναι αποτέλεσμα μιας διδακτορικής διατριβής που εκπονήθηκε εξ ολοκλήρου στη χώρα μας».

«Ήταν μεγάλη έκπληξη» συμπλήρωσε ο κ. Τάσσης «καθώς το Musca θεωρείτο έως τώρα από όλους τους αστροφυσικούς το πρότυπο του λεπτού κυλινδρικού νέφους. Το ‘τραγούδι’ του απέδειξε ότι αντίθετα έχει σχήμα τηγανίτας, απλώς τυχαίνει να το βλέπουμε από τη λεπτή του πλευρά. Το σχήμα αυτό αποτελεί ισχυρή ένδειξη ότι το μαγνητικό πεδίο του Γαλαξία παίζει ενεργό ρόλο στο σχηματισμό και στη δομή των μεσοαστρικών νεφών. Αυτή η ανακάλυψη μας επέτρεψε να προσομοιώσουμε τη δομή του με λεπτομέρεια, ανοίγοντας έτσι το δρόμο σε όσους επιστήμονες επιθυμούν να το χρησιμοποιήσουν ως ένα υποδειγματικό ‘εργαστήριο’, όπου μπορούμε να μελετήσουμε τη διαδικασία της αστρογένεσης με μεγαλύτερη λεπτομέρεια από ποτέ».

A study led by ANU and the University of Crete in Greece has shed light on Musca, a molecular cloud, hundreds of light years away from Earth. Musca is surrounded by ordered hair-like structures called striations, which are produced by trapped waves of gas and dust that cause the vibrations of the cloud. The research team was able to determine the shape of Musca by analysing the spatial frequencies of these vibrations, which were then converted into ringing tones to reveal the ‘Song of Musca’.

Η πρωτοποριακή ερευνητική εργασία στο πεδίο της μαγνητικής αστροσεισμολογίας χρηματοδοτήθηκε από ευρωπαϊκά προγράμματα (FP7 Marie Curie, ERC-CoG και REGPOT) και έκανε χρήση του υπερυπολογιστή Metropolis HPC στο Κέντρο Κβαντικής Πολυπλοκότητας και Νανοτεχνολογίας του Πανεπιστημίου Κρήτης. Οι ερευνητές θα αναζητήσουν στο μέλλον και άλλα μοριακά νέφη που «τραγουδάνε» όπως το Musca.

Πηγές: Aris Tritsis et al. Magnetic seismology of interstellar gas clouds: Unveiling a hidden dimension, Science (2018). DOI: 10.1126/science.aao1185 - http://www.in.gr/2018/05/11/tech/ellines-eriksan-fos-sti-diadikasia-gennisis-neon-astron/

Επιστήμονες παρουσίασαν τεχνητή νοημοσύνη που έμαθε να μιμείται τον εγκέφαλο. Scientists make a maze-running artificial intelligence program that learns to take shortcuts

Και να βρίσκει τον δρόμο της σε εικονικούς λαβύρινθους. An AI system learns to take shortcuts. Credit: Nature (2018). DOI: 10.1038/s41586-018-0102-6

Η Deep Mind, η θυγατρική εταιρεία της Google στο πεδίο της τεχνητής νοημοσύνης, παρουσίασε ένα νέο πρόγραμμα που μπορεί να βρει το δρόμο του με επιτυχία σε ένα εικονικό λαβύρινθο.

Η πρωτοτυπία έγκειται στο ότι ο αλγόριθμος βαθιάς μάθησης του νέου συστήματος τεχνητής νοημοσύνης μπορεί «αυθόρμητα» να μιμηθεί τη δραστηριότητα των νευρώνων του ανθρωπίνου εγκεφάλου (των λεγόμενων «κυττάρων πλέγματος»), που επιτρέπουν σε ένα άνθρωπο να ξέρει τη θέση του στο χώρο, κάτι ζωτικό για να πλοηγηθεί σε ένα λαβύρινθο.

Interview with Caswell Barry about grid cells. Credit: DeepMind

Η μεγάλη έκπληξη ήταν ότι το νέο πρόγραμμα -ένα βαθύ νευρωνικό δίκτυο που χρησιμοποιεί πολλαπλά στρώματα τεχνητών νευρώνων για να επεξεργασθεί τις πληροφορίες- αναπαρήγαγε τους πολύπλοκους νευρικούς κώδικες που, όπως έχει αποδειχθεί από το 2005 σε εργαστηριακά πειράματα με ζώα και ανθρώπους, ο εγκέφαλος χρησιμοποιεί για να προσανατολισθεί.

Interview with Matt Botvinick about neuroscience and AI. Credit: DeepMind

Με άλλα λόγια, η τεχνητή νοημοσύνη χρησιμοποίησε μόνη της την ίδια στρατηγική νοητικής πλοήγησης στο χώρο, την οποία χρησιμοποιεί και η βιολογική νοημοσύνη. Το επίτευγμα αυτό αναμένεται να βοηθήσει τους νευροεπιστήμονες στις έρευνές τους για τη λειτουργία του εγκεφάλου.

Οι ερευνητές της Deep Mind και του University College του Λονδίνου (UCL), με επικεφαλής τον Ντάρσαν Κουμαράν, που έκαναν τη σχετική δημοσίευση στο περιοδικό "Nature", χρησιμοποίησαν το νέο σύστημα για να εκπαιδεύσουν ένα ψηφιακό αρουραίο να βρίσκει την έξοδο σε ένα επίσης ψηφιακό λαβύρινθο πιο γρήγορα και από ένα άνθρωπο έμπειρο σε αυτό το παιγνίδι.

Οι ειδικοί έκαναν λόγο για επίτευγμα-ορόσημο στο πεδίο της τεχνητής νοημοσύνης. Μέχρι σήμερα προγράμματα αυτού του είδους είχαν πετύχει εντυπωσιακά πράγματα και είχαν νικήσει τους ανθρώπους σε διάφορα επιτραπέζια παιγνίδια (σκάκι, πόκερ, Go κ.α.), αλλά η πλοήγηση σε ένα λαβύρινθο αποτελεί ξεχωριστή πρόκληση.

Πηγές: Andrea Banino et al. Vector-based navigation using grid-like representations in artificial agents, Nature (2018). DOI: 10.1038/s41586-018-0102-6 - http://www.tovima.gr/science/article/?aid=976000 - https://deepmind.com/blog/grid-cells/