ICT-student Saamie helpt universum sneller ontrafelen

Het universum is eindeloos groot en wat we ervan weten, is slechts het topje van de ijsberg. Toch slagen onderzoekers erin steeds meer bloot te leggen. Met haar afstudeerproject draagt ICT-student Saamie Vincken een belangrijk steentje bij aan onderzoek van het European Space Agency (ESA).

De titel van haar afstudeerproject: Automatische segmentatie van sterke zwaartekrachtlenzen in data van de Euclid-ruimtetelescoop. Een hele mond vol, erkent de student, en voor de leek ook niet eenvoudig te begrijpen. Saamie nam woensdag bij haar afstudeerzitting op de Fontys ICT Graduation Conference (zie kader onderaan) dan ook de tijd om uit te leggen waar ze mee bezig is. Want dat het belangrijk is, is wel duidelijk.

“De Euclid-ruimtetelescoop van ESA fotografeert enorme delen van de ruimte: ongeveer een derde van het hele waarneembare universum. In die beelden zitten zeldzame objecten verborgen, die sterke zwaartekrachtlenzen worden genoemd. Daarbij buigt een zwaar sterrenstelsel op de voorgrond het licht af van een verder weg gelegen sterrenstelsel erachter, zoals een lens in een bril dat doet. Daardoor lijkt dat verre sterrenstelsel uitgerekt in bogen of ringen”, legt Saamie uit.

In haar project heeft de ICT-student AI-tools gebouwd die twee dingen doen: eerst deze lenzen vinden tussen miljoenen objecten, en daarna voor elk systeem het beeld opsplitsen in verschillende onderdelen: het voorgrondstelsel, het afgebogen licht van het achtergrondstelsel en andere objecten die toevallig in de buurt staan.

Donkere materie 
Zwaartekrachtlenzen zijn volgens Saamie belangrijk voor onderzoek naar donkere materie. “Het grootste deel van de massa van een sterrenstelsel bestaat uit donkere materie, die onzichtbaar is. Via zwaartekrachtlenzen kunnen we toch zien hoe die massa verdeeld is.” Ook helpen de lenzen onderzoekers om meer te leren over donkere energie en de groei van het universum.

Tijdens de vijfjarige missie maakt Euclid beelden van zo’n 1,5 miljard sterrenstelsels. Slechts 0,01 procent daarvan bevat naar verwachting een sterke zwaartekrachtlens. “Dat volume is onmogelijk handmatig te doorzoeken”, zegt Saamie. “Daarom gebruik ik AI-netwerken. Tot nu toe zijn er al meer dan 70 miljoen sterrenstelsels doorzocht.”

Het AI-model van Saamie gebruikt transformers, vergelijkbaar met de technologie achter grote taalmodellen. Die techniek bleek vooral sterk in het herkennen van grotere en complexere lenssystemen, zoals lenzen op groeps- of clusterschaal.

Een visualisatie van de manier waarop transformers informatie verwerken en verbanden leggen

Maar niet alles is volledig geautomatiseerd. “Een van de functies van het AI-model is dat het elke afbeelding een score geeft voor hoe waarschijnlijk het is dat die een lens bevat. Vervolgens worden de systemen gerangschikt van hoog naar laag. De hoogst scorende beelden worden daarna visueel gecontroleerd door vrijwillige burgeronderzoekers en experts.” 

Wat haar AI-model zo bijzonder maakt, is dat het een stap verdergaat dan de meeste bestaande lenszoekers. Waar andere modellen alleen aangeven óf iets een lens is, splitst Saamies model het beeld pixel voor pixel op. Daardoor hoeven onderzoekers niet meer handmatig te bepalen welk licht bij welk object hoort. “Door dat proces te automatiseren wordt analyse op de schaal van Euclid haalbaar.”

Willie Wortel-moment
Haar Willie Wortel-moment kwam toen Saamie de aantallen met elkaar vergeleek. “De grootste verzamelingen sterke zwaartekrachtlenzen bestonden tot nu toe uit enkele honderden objecten, verzameld over tientallen jaren. Met deze methode werken we toe naar meer dan 10.000 lenzen uit één enkele datarelease. Toen besefte ik pas echt hoe groot dit kan worden.”

Saamie tijdens de presentatie van haar afstudeerproject

En dit is nog maar het begin van Euclids vijfjarige missie. Juist die schaal maakt het volgens Saamie zo waardevol: waar onderzoekers voorheen lenzen één voor één bestudeerden, kunnen ze straks tienduizenden systemen op dezelfde manier analyseren. Daardoor wordt het mogelijk om veel beter te onderzoeken hoe massa en donkere materie verdeeld zijn over sterrenstelsels.

Uitmuntend
Het afstudeerproject heeft grote impact op Saamies carrière. Haar eerste methodologische paper over het sterke-lens-zoeknetwerk verscheen tijdens de eerste publieke datarelease (DR1) van Euclid. Nu leidt ze nog twee nieuwe papers, die worden in november gepubliceerd in het vakblad Astronomy & Astrophysics, net als de eerste publicatie.

Voor een afstudeerder is het uitzonderlijk om publicaties binnen zo’n internationale onderzoekssamenwerking te leiden. Het was dan ook niet de vraag óf Saamie zou slagen, maar hóé. Haar eerste en tweede beoordelaar, stagebegeleider en een externe deskundige beoordeelden haar werk als uitmuntend. In september gaat ze aan de Master of Applied IT beginnen bij Fontys in Eindhoven.

Fontys ICT Graduation Conference
Van 29 juni tot en met 8 juli vindt in R10 op campus Rachelsmolen de Fontys ICT Graduation Conference plaats, die onderdeel is van het afstudeermoment van studenten. Zij presenteren en demonstreren hun werk, zodat de jury en andere geïnteresseerden een beter beeld krijgen van de opdracht en het werk dat de studenten hebben gedaan.