ぎんがフレンズ - ESAユークリッド

目次
重力レンズについて
干し草の中の針
ESAのユークリッド宇宙望遠鏡
ESAストーリー
人工知能によるレンズ探しの先行開始
私たちのチームに参加する

重力レンズについて

アインシュタインによる重力理論である一般相対性理論は驚くべき予測をしました。天体のような質量をもつ物体は周囲の空間を歪ませ、そこを通る光線も曲がった経路をとるというものです。この革新的な理論の証拠は1919年にアーサー・エディントンによって得られ、彼は日食中に太陽近傍の恒星の位置がわずかにずれていることを観測しました。(詳細はこちら)
太陽は背景の恒星の光をゆがめる拡大鏡としてレンズのように機能しているのです！

1937年にフランツ・ツビッキーが、1000万個から100兆個もの恒星を含む大質量銀河や銀河団を重力レンズとして利用すれば、当時の従来の望遠鏡では観測できないような遠方の銀河も検出できることに気づきました。
従来の虫眼鏡のように、重力レンズは遠方銀河からの光を集めて増幅させるだけではなく、その像を歪めることができます。

1つの重力レンズが私たちから見て背景銀河の正面に来ると、増光率は最大10倍やそれ以上にもなり、遠方宇宙を拡大し銀河中の1点まで拡大して見えるようになります。レンズによって、宇宙の歴史の前半にある若い銀河が星を形成し、私たちが近傍宇宙で眺めるような形や星形成をする様子を観察できます。

背景銀河のゆがみを観測することは、背景銀河だけでなく重力レンズとして機能している天体自身についての有用な情報の手がかりにもなります。レンズ像の分離角や歪み方から、天文学者はその天体の質量や配置を知ることができる。また、これは宇宙の暗黒物質をマッピングするいくつかの方法の1つでもあり、その分布や偏り方、銀河中心付近での密度を知ることができます。これを知ることは銀河がどうやって進化したかについての重要な情報を提供します。

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以下は、レンズを通じて生まれる像の典型的な構成を示しています。

左: 遠方の背景銀河が、前景となる巨大な楕円銀河の背後を横切る
中: 遠方の背景クエーサーが 前景となる巨大な楕円銀河の背後を横切る
右: 遠方の背景銀河が前景となる銀河群の背後を横切る。複数の銀河が銀河群の中でどう配置されているかで、レンズ像は大きく変化する。
動画クレジット: Alessandro Sonnenfeld

背景の銀河やクエーサーが移動する速度は極めて遅いため、私たちの生涯ほどのタイムスケールよりずっと長い時間をかけて画像上での配置が変化し、それぞれの画像は上のアニメーションのほんの1コマを切り取ってようなものです。

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干し草の中の針

重力レンズは、銀河の質量の精密測定から宇宙膨張の測定まで、多くの興味深い研究に繋がります。しかし問題は重力レンズが非常に珍しいことです。巨大な銀河のうち、背景銀河とぴったり並んで複数像を生み出すことができる銀河は1000個に1個程度です。現在重力レンズとして知られる天体はほんの数千個ほどで、夜空の観測技術が向上したおかげでようやくこれだけの数になりました。現在の可視光サーベイは数千平方度をカバーし、その画像の解像度と深さから、1平方度あたり1個程度はレンズを解像できるほどにはなっているはずです。検出可能なレンズはさらに数千個以上あるはずですが、それを探すためには何百万という数の銀河を調べる必要があります！

理想的な方法はコンピューターに全ての画像を捜索させることですが、残念ながらこれは容易なことではありません。歪んだ背景銀河像と似たような見た目の銀河とすぐ混同するので、重力レンズを認識できるようコンピューターを学習させることは困難です。そこで本研究では、コンピューターによる処理速度と人間の高い直感能力という両方の利点を生かせる、両者の組み合わせでの方法をとります。

人間はパターン認識能力や、最小限の訓練で異常な天体を見つけることに非常に長けています。重力レンズを受けた銀河の像がどのように歪むかについて簡単な基礎理解があれば、本プロジェクトの参加者はこの驚くべき現象についての新しい実例を見つけ、私たち科学者が宇宙の天体や暗黒物質についての新たな洞察を得る手助けができます。

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ESAのユークリッド宇宙望遠鏡

ユークリッド宇宙望遠鏡は欧州宇宙機関（ESA）の宇宙望遠鏡で、地球からおよそ150万km離れた位置を保ちつつ太陽を公転しています。口径1.2mの望遠鏡と6億画素のカメラを擁しており、この巨大なカメラは一度に満月の3倍の領域を撮影できます。

ユークリッドのミッションは暗黒宇宙の構成と進化を探るために設計されています。この宇宙望遠鏡は全天の1/3の領域の100億光年先までの銀河数十億個を観測し宇宙の大規模構造の素晴らしい地図を作り上げます。ユークリッドは宇宙がどのように膨張し、宇宙の歴史の中でどのようにその構造が生まれ、重力の役割や暗黒エネルギー・暗黒物質の性質についてより解き明かすでしょう。

皆さんの中には、Galaxy Zooのユークリッドプロジェクト(詳細はこちら)や、2024年から行った私たちによる本プロジェクトの初期調査に参加した方もおられるかもしれません。この初期調査はユークリッドサーベイにおける画像のほんの一部分にすぎません。ESAとユークリッドコンソーシアムは2026年秋にユークリッドの最初の主要データリリース(第1期データリリース、DR1)を行う予定です。DR1のカバーする領域は、初期調査の対象となった領域の約30倍に達します。DR1自体はまだ未公開ですが、この新しい市民科学プロジェクト向けに一足早くDR1内の望遠鏡で撮影されたデータを見ることができることになりました。

ユークリッド望遠鏡とその興味深い背景科学についての詳細はこちらを参照してください！

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人工知能によるレンズ探しの先行開始

以前までの調査と同様、今回も私たちは皆さんや研究者の視覚認識と人工知能（AI）を組み合わせます。皆さんは調査対象からランダムに選ばれた銀河と、AIの機械学習システムが有望であると判断したレンズ候補の両方からなるデータセットを分類します。これは、データセットで写った銀河すべてを目視判断するのは非現実的だからです、AIは全天体から明らかにレンズでない天体をフィルターで除外してくれるので、私たちはレンズの可能性のある天体だけに集中できます。私たちは以前の小規模なユークリッドでの分類から、皆さんのレンズ発見の能力を把握しています。そこで、AIが除外した天体からのランダム候補も一緒に分類することで、AIが見落とした可能性がないかの調査も行います。

新しいレンズを発見した時だけでなく、あなたがその他の銀河を「レンズではない」と分類する捜査の1つ1つが、私たちのAIシステムへのフィードバックとなり、紛らわしい天体の識別能力が少しずつ向上していきます。これは以前皆さんにご協力いただいたユークリッドの初期調査データセットでの分類結果を活用して既に実証済みです。AI発見器のレンズのような物体の選別精度はこのデータセットの反映により改善しました。このように人間とAIは、強い重力レンズの発見において強力な組み合わせなのです！

私たちはユークリッドの第1期データリリースから、重力レンズを起こすのに十分な質量をもつ銀河を中心に置いた画像をESAデータラボデジタルプラットフォームを活用して7200万枚作りました。その切り抜き画像をこの微調整されたAI発見器に渡すことで、機械学習分類器が高いスコアを付けたレンズ候補（数十万個あります）が得られたので、皆さんにその中から重力レンズの良い候補を探していただきたいです。微調整されたAIレンズ発見器は、より確実な重力レンズを漏れなく拾い上げる点では以前より優れていますが、レンズでない天体にもレンズとして高い評価値を依然付けてしまっています。そこで皆さんにお願いしたいのは、お見せする画像が本当にレンズかどうかを判別していただくことです。これは難しい問題です。自然はいつも創造的であるため、銀河の形状や色は様々で、その中には重力レンズの特徴に似た紛らわしいものも多くあります。詳細についてはこちらで紹介しています。私たちはDR1のバッチから10000個以上の良質なレンズ候補を発見できると期待しており、それは今まで見つかったすべてのレンズ候補よりも多いです！！

データセットの規模が大きいので、DR1の分類を最初は2段階に分けて行います。1回目はおよそ20万枚、2回目は追加で10万枚の画像を分類します。そして捜索段階も2段階に分け、レンズかそうでないかを分類するワークフローと、その後より詳細な検証を行うリファインワークフローです。分類ワークフローではできるだけ少ない分類数でレンズでないものを手早く除外することができます。このワークフローで特に高い分類スコアを得た、数が大きく絞り込まれた候補についてリファインステージを後に行い、レンズ候補の評価付けをしていただきます。両方とも、研究者と協力して高確率な重力レンズ候補のセットを作るうえで必須です。課題はコミュニティ全体で、見えている天体について最もふさわしい説明付けを行うことです。宇宙空間がゆがんでいる様子が見つかると思いますか？この節でリンクしたブログ投稿から、それぞれのワークフローについての詳細を知ることができます。バッチの公開や分類段階についてはトークページでも更新します。

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私たちのチームに参加する

本プロジェクトはレンズ候補を見つけ、評価するためにクラウド分類に依存していますが、さらに重要なことはAI発見器が出力した何十万もの非レンズ画像を除外することです。つまり各画像でレンズがあろうがなかろうが、すべての分類はどれも同じくらい価値があります。そのため、あなたがレンズを目にするかどうかは、Zooniverseプラットフォームがランダムにあなたの分類ストリームに流す銀河の画像次第です。私たちは複数人の大衆による分類を必要としているため、Zooniverseアカウントにログインした状態で分類したすべてのプロジェクト参加者はそのZooniverseアカウントIDをチームページにリストアップしています。AIと市民科学者・研究者による分類とリファインによって得られた高いランクの最終候補について論文出版する際は、掲載誌の規定にもよりますが、本プロジェクトで100件以上の分類を行ったすべてのログインユーザーのアカウント名を発見論文の謝辞欄に掲載する方針です。ただし掲載誌によってはZooniverseIDではなく実名のフルネームしか認めていない場合もあります。Zooniverseに実名を登録していない方で表示可能な方は、こちらの貢献証明書フォームから登録してください。またこのフォームを入力いただいた方には参加証明書を発行することもできますが、Zooniverseのホームページから自分でダウンロードして取得することもできます。以前本プロジェクトの貢献証明書をリクエストした方は、改めて今回のDR1プロジェクトで申請する必要はありません。証明書はレンズ候補が整理されて最終リストができてからのみ発行しますので、分類ワークフローが終わってから、皆さんのクラウドスコアに基づいて慎重に解析するため、数か月を要するかもしれません。進捗状況についてはトークページでお知らせしますし、トークページではどのレンズ候補についても議論できます。

皆さんとともにこの素晴らしいプロジェクトを実施できることを嬉しく思います。レンズ探しを楽しんでください！！！