Forscher entwickeln KI, die Galaxien erkennen und klassifizieren kann

Forscher der UC Santa Cruz haben Morpheus entwickelt, ein Computerprogramm, das in der Lage ist, die Pixel in astronomischen Bilddaten zu analysieren. Anschließend kann es alle Galaxien und Sterne identifizieren und klassifizieren, die in großen Datensätzen aus astronomischen Untersuchungen vorkommen. 

Was ist Morpheus? 

Morpheus ist ein Deep-Learning-Framework, das aus verschiedenen Technologien der künstlichen Intelligenz (KI) besteht. Die KI-Technologien konzentrieren sich auf bestimmte Anwendungen wie Bild- und Spracherkennung.

Brant Robertson ist Professor für Astronomie und Astrophysik. Er leitet die Computational Astrophysics Research Group an der UC Santa Cruz. Laut Robertson müssen bestimmte Aufgaben, die traditionell von Astronomen erledigt wurden, automatisiert werden. Dies liegt daran, dass die Größe der Astronomiedatensätze ständig zunimmt. 

„Es gibt einige Dinge, die wir als Menschen einfach nicht tun können, deshalb müssen wir Wege finden, Computer zu nutzen, um mit den riesigen Datenmengen umzugehen, die in den nächsten Jahren aus großen astronomischen Vermessungsprojekten eingehen werden“, sagte er.

Ryan Hausen ist Informatikstudent an der Baskin School of Engineering der UCSC. In den letzten zwei Jahren arbeitete er mit Anderson an „Morpheus“. 

Ihre Ergebnisse wurden am 12. Mai in der veröffentlicht Ergänzungsreihe zur Astrophysikalischen Zeitschrift. Der Morpheus-Code wird ebenfalls der Öffentlichkeit zugänglich gemacht und es wird Online-Demonstrationen geben. 

Morphologien von Galaxien

Astronomen können lernen, wie Galaxien entstehen und sich im Laufe der Zeit entwickeln, indem sie die Morphologien von Galaxien beobachten. 

Es stehen einige groß angelegte Umfragen an, bei denen riesige Mengen an Bilddaten generiert werden, die verwendet werden können. Eine dieser Durchmusterungen ist die Legacy Survey of Space and Time (LSST) und wird am Vera-Rubin-Observatorium in Chile durchgeführt. 

Robertson hat aktiv daran gearbeitet, die Daten zu nutzen, um die Entstehung und Entwicklung von Galaxien besser zu verstehen. 

Wenn das LSST durchgeführt wird, werden mit einer 800-Milliarden-Pixel-Kamera über 3.2 Panoramabilder pro Nacht aufgenommen. Zweimal pro Woche wird das LSST außerdem den gesamten sichtbaren Himmel aufzeichnen. 

„Stellen Sie sich vor, Sie würden Astronomen bitten, Milliarden von Objekten zu klassifizieren – wie könnten sie das tun? Jetzt können wir diese Objekte automatisch klassifizieren und die Informationen nutzen, um mehr über die Entwicklung von Galaxien zu erfahren“, sagte Robertson.

Deep-Learning-Technologie für Galaxien

Einige Astronomen nutzen Deep-Learning-Technologie zur Klassifizierung von Galaxien, erfordern jedoch in der Regel eine Anpassung vorhandener Bilderkennungsalgorithmen. Den Algorithmen werden traditionell kuratierte Bilder von Galaxien zugeführt.

Morpheus wurde speziell für astronomische Bilddaten entwickelt. Es verwendet die Originalbilddaten, die im von Astronomen verwendeten Standard-Digitalformat vorliegen. 

Laut Robertson ist einer der Hauptpunkte von Morpheus die Klassifizierung auf Pixelebene.

„Bei anderen Modellen muss man wissen, dass etwas da ist, und dem Modell ein Bild zuführen, das dann die gesamte Galaxie auf einmal klassifiziert“, sagte er. „Morpheus entdeckt die Galaxien für Sie, und zwar Pixel für Pixel. So kann es auch mit sehr komplizierten Bildern umgehen, bei denen sich beispielsweise eine Kugelgalaxie direkt neben einer Scheibe befindet. Bei einer Scheibe mit einer zentralen Ausbuchtung klassifiziert es die Ausbuchtung separat. Es ist also sehr leistungsstark.“

Die Forscher nutzten Informationen aus einer Studie aus dem Jahr 2015, um den Deep-Learning-Algorithmus zu trainieren. Die Studie sammelte Daten und klassifizierte rund 10,000 Galaxien in Bildern des Hubble-Weltraumteleskops aus der CANDELS-Durchmusterung. Morpheus wurde dann auf Bilddaten aus den Hubble Legacy Fields angewendet.

Nach der Verarbeitung eines Bildes eines Teils des Himmels erstellt Morpheus einen neuen Satz Bilder desselben Bereichs und kodiert alle Objekte anhand ihrer Morphologie farblich. Astronomische Objekte werden vom Hintergrund getrennt und Sterne und verschiedene Arten von Galaxien werden identifiziert. Das Programm läuft auf dem Lux-Supercomputer des USCS, wo schnell eine pixelweise Analyse für den gesamten Datensatz erstellt wird. 

„Morpheus ermöglicht die Erkennung und morphologische Klassifizierung astronomischer Objekte auf einer Granularitätsebene, die es derzeit nicht gibt“, sagte Hausen.

Die von den Forschern durchgeführte Arbeit wurde von der NASA und der National Science Foundation unterstützt.