Inteligencia Artificial y el origen del Universo

Hoy, Día Internacional de la Mujer y la Niña en la Ciencia, vamos a hablar de cómo la inteligencia artificial es una especie de «varita mágica» que revoluciona todo lo que toca. En particular, veremos cómo se aplica al estudio del origen del Universo, uno de los misterios más grandes de la Ciencia.

Pero también hablaremos de la importancia de quien maneja la «varita». En este caso, la investigadora, Cora Dvorkin, que empezó desde niña a hacerse preguntas. Y que hoy sigue defendiendo que

«Hacer ciencia es la permanente búsqueda, no solo de respuesta sino también igual de importante, de la pregunta correcta.

De niña curiosa a Doctora en Cosmología

En una TEDxRíodelaPlata, la Dra, Cora Dvorkin, especialista en Cosmología del Departamento de Física de la Universidad de Harvard, nos explica cómo su equipo de investigación utiliza la inteligencia artificial para aprender sobre algo que está ahí aunque no lo veamos: la materia oscura.

También nos cuenta cómo, de niña, acompañaba a su padre a visitar a un amigo muy sabio, al que ambos admiraban mucho. Manuel Sadosky, matemático, considerado por muchos como el padre de la computación en Argentina, le transmitió su pasión por la ciencia y el conocimiento, y le enseñó a plantearse las preguntas adecuadas. Aprendió a disfrutar de cómo cada respuesta, cada avance, planteaba un nuevo desafío.

Con el paso de los años, se graduó en Física, por la Universidad de Buenos Aires, y encontró en la Cosmología el espacio para juntar su pasión por las Matemáticas, la Física y la Filosofía.

¿Por qué estudiar la materia oscura?

Hay muchas razones por las que es importante estudiar el Universo, y, en particular, la materia oscura. Pero sin profundizar en implicaciones históricas, basta con tener en cuenta un dato. El 85 % de materia de todo el universo es materia oscura.

El 85 % y aún hoy seguimos sin entender qué es.

Cora Dvorkin nos explica de forma muy sencilla, cómo los cosmólogos, al igual que los arqueólogos, estudian el pasado para poder comprender mejor el futuro. Así, investigando la luz que nos llega de una estrella, podemos ver cómo era ésta en el pasado; ya que puede tardar millones de años en llegar a nosotros. Y cuanto más lejos esté la estrella, más atrás en el tiempo podemos llegar. Por tanto:

Estudiar el universo lejano es como viajar en el tiempo.

Así, los cosmólogos investigan sobre en origen del Universo, estudiando la radiación cósmica de fondo, conocida como el «eco del Big Bang».

Una «interferencia» inexplicable

En 1965, los astrónomos de Bell Labs, Arno Penzias y Bob Wilson, descubrieron accidentalmente, como tantas veces sucede en la historia de la ciencia, algo fundamental. Ellos habían construido una antena para detectar ondas de radio y trabajaban para reducir al máximo cualquier interferencia. Pero había una señal de origen desconocido, que no había forma de eliminar. Habían detectado la radiación cósmica de fondo.

Con los años, el desarrollo de la Cosmología dio lugar a un modelo que explicaba el origen del Universo de forma elegante y simple. Usando la teoría estándar de Física de Partículas y la teoría de la Relatividad, explicaba la abundancia de hidrógeno y helio en el Universo, así como la existencia de esta radiación de fondo, emitida cuando el universo tenía tan solo 400.000 años de edad.

Algo que no se ve, pero está ahí

Pero había algo que no cuadraba. Para que funcionara el modelo, hacía falta mucha más materia de la que se podía detectar. En concreto, más de un 85%. Además, una materia «especial», sólo detectable por sus efectos gravitacionales.

Para explicarla, son necesarios nuevos tipos de partículas elementales. Es por ello que hoy día, en todo el mundo, se llevan a cabo numerosos experimentos, como el proyecto EUCLID, de la Agencia Espacial Europea.

Primeras evidencias de la existencia de la materia oscura

Años después, en los 70, a la astrónoma Vera Rubin, que estudiaba la velocidad de rotación de las estrellas en distintas galaxias, tampoco le salían las cuentas. Al igual que ocurre con los planetas que giran alrededor del sol, esperaba observar velocidades de rotación más bajas cuanto más lejos se encontrara la estrella del centro de la galaxia.

Sin embargo las observaciones mostraban otra cosa y la velocidad era constante. Fue la primera evidencia científica de la existencia de la materia oscura. Estos trabajos permitieron explicar muchas observaciones, incluida la conocida sinfonía cósmica del Big Bang.

¿Cómo detectar la materia oscura?

Aunque en 2019, los cosmólogos consiguieron el mapa más completo de materia oscura a través de la historia del Universo, cuando tratamos de detectarla a menor escala, como en el seno de una galaxia, su influencia o huella en el espacio es mucho más pequeña y difícil de cartografiar.

Figura 1: Este mapa tridimensional ofrece un primer vistazo a la distribución de la materia oscura a gran escala, como si fuera una red, tal y como se ha cartografiado con el mayor estudio del Universo realizado por el telescopio espacial Hubble, el Cosmic Evolution Survey («COSMOS»). Fuente

En este caso, los investigadores plantean hipótesis que les permitan medir su impacto sobre algo observable. Por ejemplo, si se plantea la hipótesis de que el paso de materia oscura frente a un objeto brillante distorsiona su brillo, este sí es un efecto que podemos medir a escala de una galaxia.

IA para detectar materia oscura

El grupo de investigación de la Dra, Cora Dvorkin, en Harvard, investiga sobre la materia oscura basándose en el fenómeno conocido como «efecto de lente gravitacional». La masa de la materia oscura deforma el espacio-tiempo. Por ello, en su presencia, la luz que nos llega de una galaxia no viene en línea recta, sino que se desvía creando arcos en el cielo que SI podemos observar.

Por tanto, para localizar cúmulos livianos de materia oscura, analizan imágenes buscando las pequeñas fluctuaciones que éstos generan en los arcos que vemos en el cielo.

El método tradicional para detectar estas pequeñas perturbaciones era analizar las imágenes una a una, a mano. Era un método muy lento, les podía llevar varios meses, pero factible cuando las imágenes a analizar se contaban por decenas. Sin embargo, con los nuevos telescopios, de decenas se ha pasado a decenas de miles, por lo cuale este análisis se convirtió en una tarea inabordable.

Machine Learning al rescate

Entonces el grupo se planteó aplicar a su campo de investigación técnicas de visión artificial. Así, entrenaron modelos de machine learning con miles de simulaciones de imágenes de galaxias, de forma que éstos aprendieron a detectar los patrones propios de los cúmulos de materia oscura.

Los resultados fueron tan buenos que apenas se lo podían creer. En menos de un segundo podían detectar cúmulos tan pequeños que antes consideraban indetectables.

IA para investigación en Física

El éxito del proyecto les animó a crear, junto con colegas de la Universidad de Harvard, MIT y otras universidades del área, un Instituto de Inteligencia Artificial, el IAIFI , en el que físicos de distintas disciplinas usan este tipo de herramientas. De esta forma, gracias a la inteligencia artificial y la gran cantidad de datos de los que podemos disponer hoy en día, iremos encajando poco a poco las piezas del rompecabezas, y encontrando respuesta a nuestras preguntas.

Y lo mejor de todo, nuestra curiosidad innata nos llevará a plantearnos preguntas nuevas que nos ayudarán a seguir avanzando en el conocimiento con mayúsculas.