At finde de ukendte i universet

Hvad har pulsarer, kvasarer, er mørkt stof og mørk energi fælles? Svar:hver af dem overraskede opdageren. Mens meget af videnskaben skrider forsigtigt og metodisk frem, størstedelen af ​​virkelig spektakulære opdagelser inden for astronomi er uventede.

Mange af vores teleskoper er bygget til at opdage de kendte ubekendte:de ting, vi ved, vi ikke ved, såsom at identificere de ting, der udgør mørkt stof.

Men de virkelige gennembrud er de ukendte ubekendte. Det er de ting, vi ikke engang har mistanke om, er derude, før vi ved et uheld finder dem.

For eksempel, af de ti største opdagelser ved Hubble-rumteleskopet, kun én med i forslaget bruges til at retfærdiggøre dets konstruktion og lancering. Den der, måling af universets ekspansionshastighed, er en kendt ukendt.

Med andre ord, vi havde et spørgsmål om noget, vi vidste om, og vi troede, at Hubble kunne svare på spørgsmålet. De fleste af de andre opdagelser er ukendte ubekendte:vi vidste ikke, hvad de var, før vi faldt over dem.

De inkluderer opdagelsen af ​​mørk energi, den eneste Hubble-opdagelse (indtil videre) til at vinde en Nobelpris, i 2011.

En tilfældig opdagelse

Overvej pulsarer. De blev opdaget i 1960'erne, da en lys ung ph.d.-studerende i Storbritannien, Jocelyn Bell Burnell, studerede radiobølgernes blink fra elektroner i rummet (en kendt ukendt).

Hun lagde mærke til mærkelige stykker af det, hun kaldte "bits of scruff" på sin chart recorder, og indså, at de var noget meget mere opsigtsvækkende end blot traktorinterferens, og derved opdagede pulsarer – en ukendt ukendt – som hendes vejleder Antony Hewish vandt Nobelprisen i fysik for i 1974.

Så hvordan gjorde hun den opdagelse?

Udover at være en lys, vedholdende, åbensindet studerende, Bell Burnell observerede også universet på en måde, som det aldrig var blevet observeret før. Ved at se på hurtige ændringer i radiobølgerne, hun observerede universet ved hjælp af en parameter – i dette tilfælde korte tidsskalaobservationer – som ikke var blevet brugt før.

Andre opdagelser sker, når folk observerer med en anden parameter, såsom besvimelse, eller område af himlen, som ikke er blevet observeret før. Sammen, disse parametre udgør vores parameterrum.

De fleste store astronomiske opdagelser ser ud til at ske, når nogen observerer en ny del af parameterrummet; observere universet på en måde, det ikke er blevet observeret før.

Denne nye måde kan bestå i at se dybere, eller med bedre opløsning, eller i større skala, eller måske bare se meget mere af universet. Udvidelse af nogen af ​​disse parametre til deres uudforskede områder vil sandsynligvis føre til en uventet opdagelse.

Lige nu bygges flere næste generations teleskoper, frimodigt går, hvor intet teleskop har været før. De vil betydeligt udvide mængden af ​​observationsparameterrum, og skal i princippet opdage uventede nye fænomener og nye objekttyper.

For eksempel, CSIRO's et ASKAP-teleskop på 165 millioner dollars, nu nærmer sig sin afslutning, udforsker flere områder af ukendt parameterrum, med en fremragende chance for at snuble over en større uventet opdagelse, der kan ryste den videnskabelige verden.

Men vil vi genkende det, når vi ser det? Sikkert ikke.

Bell Burnell opdagede pulsarer ved møjsommeligt at gennemsøge alle hendes data, og bemærkede en lille anomali, der ikke passede til hendes forståelse af teleskopet.

Hvor meget data?

Hvis Bell Burnell observerede med ASKAP, hun skulle gennemsøge omkring 80 petabyte data om året, fra en maskine, der er så kompleks, at ingen virkelig forstår det hele. Undskyld, ikke engang Bell Burnells hjerne er op til opgaven med at gennemsøge den mængde data.

Vi kan umuligt undersøge alle disse data med øjet. Så måden vi gør vores videnskab på, er, at vi beslutter os for det videnskabelige spørgsmål, vi stiller, og gør det til en dataforespørgsel.

Så miner vi databasen og leder efter de datastykker, der vil besvare vores spørgsmål.

Dette er en meget effektiv måde at besvare de kendte ubekendte. Desværre, det er nytteløst at finde de ukendte ukendte. Vi modtager kun svar på de spørgsmål, vi stiller, og ikke til de spørgsmål, som vi ikke vidste, vi burde stille.

Husk nu Hitchhiker's Guide to the Galaxy science fiction/fantasy-serien af ​​forfatteren Douglas Adams? Når en kæmpe computer, Dybe tanker, fandt svaret på "livet, universet, og alt" for at være 42, en anden, endnu større, computer skulle bygges for at finde ud af, hvad det egentlige spørgsmål var.

Så kan vi designe en maskine, eller et stykke software, at replikere Bell Burnells hjerne i at opdage ukendte ukendte, men arbejde komfortabelt med petabytes af data og utroligt komplekse teleskoper?

WTF ind i det ukendte

Jeg tror, ​​vi kan, og vi har allerede startet projektet WTF, som står for Widefield outlier Finder, med de hidtidige fremskridt offentliggjort i sidste måned. WTF -maskinen siler gennem petabyte med data, leder efter noget uventet, uden at vide præcis, hvad den leder efter.

Tricket er at bruge maskinlæringsteknikker, hvor vi lærer softwaren om alle de ting, vi ved om, og så bed den om at finde ting, vi ikke ved om.

For eksempel, det kan plotte en graf over radiolysstyrke mod optisk farve. På den graf, den ville finde en klynge af kvasarer grupperet sammen, endnu en klynge af galakser som Mælkevejen, og så videre.

Måske vil den finde en anden klynge af objekter, som vi ikke havde forventet og ikke kendte til. Vores sarte hjerner kunne ikke gøre mere end et lille indhug i alle de mulige grafer, der skal plottes, men WTF vil tage disse med ro.

Denne proces bliver ikke let. I starten WTF vil sandsynligvis vise ting, vi har glemt at fortælle det, og den vil også finde radiointerferens og instrumentelle artefakter.

Efterhånden som vi gradvist lærer det, hvad disse er, den vil begynde at genkende virkelig nye objekter og fænomener. Mere markant, det vil begynde at lære nye ting fra de data, der er gjort usynlige for vores hjerner af deres rene multidimensionelle kompleksitet, men vil være gryn til møllen for WTF.

Vi forventer, at WTF bliver klogere end os, i stand til at finde de sjældne opdagelser begravet i dataene. Måske kan WTF endda vinde den første ikke-menneskelige Nobelpris.

Denne artikel blev oprindeligt publiceret på The Conversation. Læs den originale artikel.