Machine learning: une percée pour l'étude des pouponnières d'étoiles

Publié par Redbran le 21/11/2020 à 13:00
Source: Observatoire de Paris
L'intelligence artificielle peut rendre visibles des phénomènes astrophysiques jusqu'ici inaccessibles. C'est ce qu'ont prouvé des scientifiques du CNRS, de l'IRAM, de l'Observatoire de Paris-PSL, et des écoles Centrale Marseille et Centrale Lille rassemblés au sein du programme ORION-B. Dans une série de trois articles publiés dans Astronomy & Astrophysics le 19 novembre 2020, ils présentent les observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré explique la très...) les plus complètes d'une des régions de formation d'étoiles les plus proches de la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus grande et la plus massive des quatre...).


Emission du monoxyde de carbone dans le nuage (Un nuage est une grande quantité de gouttelettes d’eau (ou de cristaux de glace) en suspension dans l’atmosphère. L’aspect d'un nuage dépend de la lumière...) Orion B
© J. Pety/ORION-B Collaboration/IRAM

Les nuages de gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a...) où naissent et grandissent les étoiles sont de vastes régions de l'Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.) très riches en matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La matière occupe de...), et donc en processus physiques. Entremêlés à différentes échelles, de temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) et de tailles, tous ces processus rendent presque impossible la compréhension complète des pouponnières d'étoiles.

Mais les scientifiques du programme ORION-B (1) viennent de prouver que les statistiques et l'intelligence artificielle (L'intelligence artificielle ou informatique cognitive est la « recherche de moyens susceptibles de doter les systèmes informatiques de capacités intellectuelles comparables...) peuvent lever les barrières se dressant encore devant les astrophysiciens et astrophysiciennes.

Ayant pour objectif de livrer l'analyse la plus détaillée à ce jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son début (par rapport à minuit heure...) du nuage d'Orion, une des régions où se forment les étoiles les plus proches de la Terre, l'équipe d'ORION-B a intégré dans ses rangs des scientifiques spécialistes du traitement massif (Le mot massif peut être employé comme :) de données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.).

L'équipe a ainsi développé de nouvelles méthodes basées sur l'apprentissage (L’apprentissage est l'acquisition de savoir-faire, c'est-à-dire le processus d’acquisition de pratiques, de connaissances, compétences,...) statistique (La statistique est à la fois une science formelle, une méthode et une technique. Elle comprend la collecte, l'analyse, l'interprétation de données ainsi que la présentation de ces ressources afin de les rendre...) et le machine learning pour étudier les observations du nuage réalisées pour 240000 fréquences de la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La lumière est intimement liée à...) (2).

À partir d'algorithmes d'intelligence artificielle, ces outils permettent de découvrir de nouvelles informations dans une grande masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la...) de données comme celle du projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et l’intégration d’une grande...) ORION-B. Ils ont ainsi permis de dévoiler certaines "lois" régissant le nuage d'Orion.

Les scientifiques ont pu mettre au jour des relations entre la lumière émise par certaines molécules et des informations jusqu'ici inaccessibles: leurs calculs permettent d'estimer la quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur...) d'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) ou la quantité d'électrons libres dans le nuage, sans les observer directement.

En analysant toutes les données à sa disposition, l'équipe de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances...) a également pu déterminer comment améliorer encore ses observations en éliminant certaines informations "parasites".

Les équipes d'ORION-B souhaitent maintenant tester ces travaux théoriques en pratique, en mettant en application les estimations et préconisations établies pour les vérifier en conditions réelles.

Un autre défi théorique de taille sera d'arriver à extraire l'information sur la vitesse (On distingue :) de déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles orientés. En psychanalyse, le déplacement est mécanisme de défense déplaçant la...) des molécules et ainsi visualiserles mouvements de la matière pour voir comment celle-ci se déplace au sein du nuage.

Bibliographie:
- Quantitative inference of the H2 column densities from 3 mm molecular emission: A case study towards Orion B. Gratier et al. A&A, le 19 novembre 2020.
- Tracers of the ionization fraction in dense and translucent gas: I. Automated exploitation of massive (Le mot massif peut être employé comme :) astrochemical model grids. Bron et al. A&A, le 19 novembre 2020.
- C18O, 13CO, and 12CO abundances and excitation temperatures in the Orion B molecular cloud: An analysis of the precision achievable when modeling spectral line within the Local Thermodynamic Equilibrium approximation (Une approximation est une représentation grossière c'est-à-dire manquant de précision et d'exactitude, de quelque chose, mais encore assez significative pour être utile. Bien qu'une approximation soit le...). Roueff et al. A&A, le 19 novembre 2020.

Notes:
(1) Pour Outstanding Radio-Imaging of OrioN B. Ont été impliqués des scientifiques du Laboratoire d'études du rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.) et de la matière en astrophysique (L’astrophysique (du grec astro = astre et physiqui = physique) est une branche interdisciplinaire de l'astronomie qui concerne principalement la physique et l'étude des...) et atmosphères (Observatoire de Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville est construite sur une boucle de la Seine,...) - PSL/CNRS/Sorbonne Université/Université de Cergy-Pontoise), de l'Institut de radioastronomie millimétrique (L'Institut de radioastronomie millimétrique ou Iram a été fondé en 1979. Il est le résultat d'une collaboration entre la France, l'Allemagne et l'Espagne. Ainsi, il dispose d'un partenaire pour chacun de...) (IRAM), du Centre de recherche en informatique (L´informatique - contraction d´information et automatique - est le domaine d'activité scientifique, technique et industriel en rapport avec le traitement automatique de l'information par des machines...), signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les signaux lumineux sont employés depuis la nuit des...) et automatique (L'automatique fait partie des sciences de l'ingénieur. Cette discipline traite de la modélisation, de l'analyse, de la commande et, de la régulation des systèmes dynamiques. Elle a...) de Lille (CNRS/Université de Lille/Centrale Lille), de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute...) de recherche en astrophysique et planétologie (La planétologie est la science de l'étude des planètes. La discipline recouvre de nombreuses branches de la science ; son domaine d'étude...) (CNRS/Université Toulouse III Paul Sabatier), de l'Institut de recherche en informatique de Toulouse (CNRS/Toulouse INP/Université Toulouse III Paul Sabatier), de l'Institut Fresnel (CNRS/Aix-Marseille Université/Centrale Marseille), du Laboratoire d'astrophysique de Bordeaux (CNRS/Université de Bordeaux), du Laboratoire de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique...) de l'Ecole normale supérieure (CNRS/ENS Paris/Sorbonne Université/Université de Paris) et du Laboratoire Grenoble images parole (La parole, c'est du langage incarné. Autrement dit c'est l'acte d'un sujet. Si le langage renvoie à la notion de code, la parole renvoie à celle de corps. La parole est singulière et opère un acte de langage qui s'adresse à un...) signal automatique (CNRS/Université Grenoble Alpes), de l'Instituto de Física Fundamental (CSIC) (Espagne), de le National Radio Astronomy Observatory (Etats-Unis), de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa...) Chalmers (Suède), de l'Université de Cardiff (Royaume-Uni), de l'université Harvard (L’université Harvard (Harvard University), ou plus simplement Harvard, est une université privée américaine située à Cambridge dans le Massachusetts. Fondée en 1636, elle est...) (Etats-Unis), de l'Université Pontificia Católica (Chili)
(2) Les observations ont été menées sur l'un des radiotélescopes de l'IRAM, l'antenne (En radioélectricité, une antenne est un dispositif permettant de rayonner (émetteur) ou de capter (récepteur) les ondes électromagnétiques.) de 30 mètres dans la Sierra Nevada (Espagne).
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