L’IA détecte une supernova rare SN 2023zkd en temps réel

Une supernova rare nommée SN 2023zkd a été découverte par des astronomes avec l’aide de l’intelligence artificielle (IA).

L’IA est maintenant largement utilisée dans diverses industries, telles que la finance, les soins de santé, la fabrication, la cybersécurité, la gestion des catastrophes et le service client. Elle transforme le monde en automatisant les tâches répétitives, en fonctionnant en continu sans fatigue, en traitant et en analysant de vastes quantités de données complexes, en minimisant les erreurs et en améliorant la prise de décision.

La technologie, qui fait référence à la capacité des machines à effectuer des tâches généralement liées à l’intelligence humaine, nous aide également à détecter de nouveaux objets dans le ciel et à approfondir notre compréhension de l’univers.

Par exemple, il y a quelques mois, l’IA a aidé une équipe internationale d’astronomes à élucider les mystères de l’univers en évaluant les données sur les trous noirs. En utilisant plus de 12 millions de simulations, les chercheurs ont constaté que le trou noir central de la Voie lactée tourne à une vitesse proche de sa vitesse maximale.

Pour cela, l’équipe a utilisé des simulations synthétiques pour entraîner le réseau, permettant la découverte de nouvelles connaissances cosmiques sur les trous noirs.

Le réseau a été entraîné pour découvrir des informations à partir des données derrière les images du trou noir Sagittarius A* présentées par la collaboration Event Horizon Telescope (EHT) en 2022.

Alors que les études précédentes n’utilisaient qu’une petite quantité de données synthétiques réalistes, la dernière étude a alimenté des millions de fichiers dans un réseau neuronal bayésien, rendu possible par les capacités de calcul à haut débit de CHTC, pour effectuer une comparaison plus précise entre les données EHT et les modèles.

Le réseau neuronal a suggéré que le trou noir tourne à une vitesse proche de sa vitesse maximale et que l’émission à proximité n’est pas causée par un jet mais par des électrons extrêmement chauds dans le disque d’accrétion environnant. De plus, les champs magnétiques dans le disque semblent se comporter différemment de ce qui a été précédemment suspecté.

Selon le chercheur principal Michael Janssen de l’Université Radboud de Nijmegen :

“Le fait que nous remettions en question la théorie dominante est, bien sûr, excitant. Cependant, je considère notre approche d’IA et d’apprentissage automatique principalement comme un premier pas. Ensuite, nous allons améliorer et étendre les modèles et simulations associés.”

Une autre étude de l’année dernière a utilisé l’IA pour déterminer cinq paramètres cosmologiques ou les “paramètres d’origine de l’univers” avec précision¹. Ces paramètres, extraits d’un ensemble de données (SDSS) contenant des informations sur plus de 100 000 galaxies, déterminent la façon dont l’univers fonctionne à grande échelle.

Pour extraire des informations précieuses de l’ensemble de données, l’équipe doit d’abord entraîner l’IA sur ce qu’elle doit rechercher, et pour cela, ils ont créé 2 000 univers simulés, chacun avec des paramètres cosmologiques et des défis réalistes rencontrés dans les enquêtes sur les galaxies.

Ensuite, on lui a fourni des données réelles de l’enquête spectroscopique SDSS Baryon Oscillation, fournissant des résultats impressionnants qui permettent aux astronomes de faire plus avec moins de données et de repousser les limites de l’astronomie.

Maintenant, dans la dernière découverte, les scientifiques ont utilisé un nouveau système d’IA appelé Lightcurve Anomaly Identification and Similarity Search (LAISS), qui est basé sur l’algorithme Spotify.

Créé par l’université de recherche mondiale, UC Santa Cruz, le système compare les caractéristiques de la supernova SN 2023zkd avec un ensemble de données d’objets connus pour détecter toute anomalie, qui peut indiquer un phénomène rare. Lorsque l’IA trouve quelque chose qui vaut la peine d’être vérifié, elle envoie des candidats aux chercheurs pour analyse en temps réel.

En utilisant ce système d’IA, les astronomes ont pu identifier la supernova dans les heures suivant son explosion. Une supernova est une explosion extrêmement puissante et lumineuse d’une étoile, qui est l’un des événements les plus lumineux de l’univers qui peut temporairement surpasser les galaxies entières.

Les supernovas font partie intégrante du cosmos, car elles créent et répandent des éléments lourds, qui sont les blocs de construction fondamentaux pour les étoiles, les planètes et la vie futures.

Ces événements sont brefs, mais avant que SN 2023zkd ne s’estompe, les chercheurs ont pu effectuer des observations de suivi rapides. Les preuves suggèrent que cette explosion particulière était le résultat d’une étoile massive ayant une rencontre catastrophique avec un compagnon trou noir.

Le compagnon a soit partiellement englouti l’étoile, soit l’a déchirée avant qu’elle ne puisse exploser par elle-même.

Notamment, l’IA utilisée par les astronomes pour détecter des anomalies fugaces en temps réel, régulièrement et “sans compter sur la chance”, pourrait également être utilisée pour le diagnostic médical, la prévention de la fraude financière et la sécurité nationale, montrant la polyvalence et les capacités étendues du système.

La détection d’explosions cosmiques dans leurs premiers moments

La dernière découverte a été signalée ce mois-ci par une collaboration d’astronomie, qui a noté une explosion d’une étoile géante confinée dans une orbite avec un trou noir. Cette découverte a été faite avec l’aide d’un système d’IA, qui recherche activement des étoiles immédiatement après leur explosion.

L’explosion s’appelle SN 2023zkd et a été détectée pour la première fois il y a deux ans par la Zwicky Transient Facility. Elle a été identifiée à l’aide d’un nouveau modèle d’IA, qui a été conçu pour signaler toute explosion ou événement cosmique inhabituel en temps réel.

Avoir une alerte précoce a permis à l’équipe de chercheurs de commencer des observations de suivi immédiatement, ce qui est une étape importante pour capturer l’explosion depuis ses premiers stades, couvrir toute son histoire et trouver ses origines.

Une fois l’explosion terminée, elle a été observée par des télescopes spatiaux ainsi que sur le sol. Dans ce cas, deux télescopes de l’observatoire de recherche astronomique du Haleakalāa à Hawaï ont été utilisés par l’expérience Young Supernova (YSE) basée à UC Santa Cruz.

“Quelque chose comme cette supernova n’a pas été vu avant, donc il pourrait être très rare.”

– Ryan Foley, professeur agrégé d’astronomie et d’astrophysique à UC Santa Cruz

Alors que les humains sont également bons pour repérer les choses qui “ne sont pas comme les autres”, l’algorithme d’IA, a-t-il noté, peut les signaler beaucoup plus tôt que nous ne le pourrions, et cela est critique pour les observations sensibles au temps.

L’équipe de Foley dirige en fait YSE, une enquête sur le domaine temporel conçue pour découvrir de nouvelles supernovas (SNe) et d’autres transitoires cosmiques dans les heures ou les jours suivant leur explosion. Elle fonctionne principalement avec des télescopes Pan-STARRS qui seront bientôt en train de surveiller 1 500 degrés carrés de ciel tous les trois jours.

Selon le site Web officiel, l’objectif de YSE est de trouver des échantillons statistiques de transitoires rares et rouges. Il vise également à mieux comprendre la variabilité des trous noirs.

La surveillance d’environ 4 % du ciel nocturne tous les trois jours a permis à l’équipe de découvrir des milliers de nouvelles explosions cosmiques, dont des dizaines d’entre elles quelques jours ou heures après l’explosion.

Maintenant, ils ont découvert quelque chose d’intéressant sur SN 2023zkd, qui a été détaillé dans l’étude intitulée ‘Preuve d’une fusion binaire induite par instabilité dans la supernova de type IIn double-peaked et riche en hélium 2023zkd.’² Publiée dans The Astrophysical Journal, l’étude est financée par la NASA, la National Science Foundation, la Fondation Moore et la Fondation Packard.

Selon les astronomes behind la dernière découverte, une collision entre l’étoile massive et le trou noir était inévitable.

L’étoile était verrouillée dans une orbite avec le trou noir, et à mesure que l’énergie était perdue de l’orbite, ils se sont rapprochés l’un de l’autre. Leur séparation a continué à diminuer tandis que la gravité intense du trou noir a attiré la poussière et le gaz de l’étoile dans un disque.

Ceci a continué, et avant que l’étoile ne puisse dévorer le trou noir dense, la gravité du trou noir a causé l’explosion de l’étoile.

Lorsque l’explosion a collisionné avec les coquilles de matière des interactions antérieures, situées au-dessus et en dessous du disque, elle a alimenté un événement de ré-éclairage dramatique.

Selon Alexander Gagliano, l’auteur principal de l’étude et un boursier de l’Institut national de la science fondamentale et de l’intelligence artificielle :

“Notre analyse montre que l’explosion a été déclenchée par une rencontre catastrophique avec un compagnon trou noir, et constitue la preuve la plus solide à ce jour que de telles interactions étroites peuvent en fait détoner une étoile.”

Alors qu’il est connu que la plupart des étoiles massives sont en binaires, Gagliano a noté que “découvrir une étoile en train d’échanger de la masse peu de temps avant qu’elle n’explose est extrêmement rare”.

Mais ce n’est pas la seule interprétation. L’équipe a en fait considéré plusieurs scénarios d’origine pour la supernova.

L’autre scénario, selon l’équipe de scientifiques, est que le trou noir a complètement déchiré l’étoile massive avant qu’elle ne puisse exploser par elle-même, par un processus appelé “spaghettification”. Le trou noir a ensuite attiré les débris de l’étoile. Lorsque ces débris ont heurté le gaz environnant, ils ont produit la lumière brillante. Les données ne suggèrent pas fortement que cela soit le cas.

Dans les deux scénarios, le trou noir plus lourd est la seule chose qui reste.

Selon l’étude, le précurseur optique de ré-éclairage et les caractéristiques de l’explosion sont trouvés pour être les plus cohérents avec une étoile de He massive et à moitié dépouillée subissant une fusion induite par instabilité avec un compagnon trou noir.

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La vie étrange de la supernova SN 2023zkd

SN 2023zkd est située à environ 730 millions d’années-lumière de notre planète Terre.

Au début, elle ressemblait à n’importe quelle supernova, une seule explosion de lumière qui s’estompe lentement avec le temps. Mais ce n’était pas le cas.

Alors que les astronomes continuaient à surveiller le déclin de SN 2023zkd sur plusieurs mois, ils ont constaté que la supernova s’est à nouveau éclaircie. L’équipe a donc étudié les données archivées pour obtenir des informations sur ce comportement inhabituel, qui a révélé une autre caractéristique unique.

Les observations dans l’ultraviolet et l’infrarouge de la supernova exceptionnelle ont montré une émission de précurseur persistante et lumineuse s’étendant sur plusieurs années avant la découverte, suivie d’une deuxième phase de ré-éclairage lent dans son année de clôture.

Après la découverte, la supernova a montré deux pics de luminosité comparables séparés par 240 jours, soit environ huit mois.

Spectroscopiquement, elle a affiché des profils de Balmer et de He I fortement asymétriques et multicomposants. Ce sont des raies spectrales spécifiques d’hydrogène (H) et d’hélium (He) observées dans les spectres stellaires, utilisées pour déterminer l’âge et la composition des populations stellaires dans les galaxies et les autres objets cosmiques.

Donc, avant même que l’explosion ne se produise, le système était déjà en train de s’éclaircir lentement pendant plus de quatre ans, ou environ 1 500 jours. Et ce type d’activité prolongée avant l’explosion est rarement vu dans les supernovas.

L’étoile a essentiellement connu deux éruptions majeures avant de mourir.

Une analyse détaillée a également indiqué que la lumière de l’explosion était le résultat de la matière que l’étoile avait rejetée dans les années qui ont précédé sa mort.

“2023zkd montre certains des signes les plus clairs que nous ayons vus d’une étoile massive interagissant avec un compagnon dans les années qui précèdent l’explosion”, a déclaré la co-auteure de l’étude, Ashley Villar, qui est professeure agrégée d’astronomie à l’Université de Harvard dans le Massachusetts. “Nous pensons que cela pourrait faire partie d’une classe entière d’explosions cachées que l’IA nous aidera à découvrir.”

Donc, le ré-éclairage qui s’est produit avant l’explosion était le résultat de l’onde de choc de la supernova qui a heurté du gaz de faible densité. Un autre pic, des mois plus tard, était le résultat d’un impact lent et soutenu avec le nuage dense et disque.

Cette structure particulière, ainsi que le comportement avant l’explosion, suggèrent que l’étoile mourante était soumise à une contrainte gravitationnelle extrême, peut-être due à un compagnon compact comme un trou noir. Après beaucoup de discussion, l’équipe est arrivée à l’explication qu’il s’agissait d’un système binaire avec un trou noir.

Pour s’assurer que les observations sont alignées avec leur explication, l’équipe a construit le système et l’a méthodiquement démontré comme tel.

L’équipe “a construit la plate-forme logicielle que nous utilisons pour consolider les données et gérer les observations. Les outils d’IA utilisés pour cette étude sont intégrés dans cet écosystème logiciel”, a déclaré Foley.

Alors que la dernière étude montre l’importance de l’IA dans la détection d’événements cosmiques rares en temps réel, les astronomes soulignent également le rôle important que des installations comme l’Observatoire Vera C. Rubin peuvent jouer au cours de la prochaine décennie.

Anciennement connu sous le nom de télescope à synthèse de grande échelle (LSST), l’observatoire est situé dans les montagnes des Andes chiliennes et est équipé d’un télescope de 8,4 mètres et de la plus grande caméra numérique pour documenter l’ensemble du ciel austral toutes les quelques nuits. Son objectif est de comprendre la nature de la matière noire, de créer un inventaire d’objets comme les astéroïdes et les comètes dans le système solaire, d’étudier les trous noirs et les étoiles explosives, et de cartographier la Voie lactée.

Avec la prochaine enquête Legacy Survey for Space and Time de l’Observatoire Rubin attendue pour découvrir ∼105 yr−1, l’étude a noté que les échantillons photométriques de SNe IIn augmenteront considérablement cette année.

L’étude a déclaré :

“Les algorithmes conçus pour signaler ces transitoires longs et ré-éclairants joueront un rôle crucial pour caractériser la pleine ampleur des événements fortement interactifs.”

Les observations de l’Observatoire Rubin, combinées à la détection en temps réel par l’IA, permettront aux astronomes de découvrir et d’étudier des événements plus rares et plus complexes, nous aidant ainsi à mieux comprendre comment les étoiles massives vivent et meurent dans des systèmes binaires.

“Nous entrons maintenant dans une ère où nous pouvons automatiquement détecter ces événements rares au fur et à mesure qu’ils se produisent, et non pas seulement après coup. Cela signifie que nous pouvons enfin commencer à relier les points entre la façon dont une étoile vit et meurt, et c’est incroyablement excitant.”

– Gagliano

Pendant ce temps, Foley a noté que même si la prévision du chemin de l’IA est difficile, il est toujours avancé et a de nombreuses utilisations qui vont au-delà de l’astronomie.

Il a déclaré :

“On peut facilement imaginer des techniques similaires étant utilisées pour dépister les maladies, concentrer l’attention sur les attaques terroristes, traiter les problèmes de santé mentale précocement et détecter la fraude financière. Partout où la détection en temps réel d’anomalies pourrait être utile, ces techniques joueront probablement un rôle à terme.”

Le rôle de l’IA dans l’astronomie et au-delà

L’IA transforme les industries, y compris l’astronomie, où elle est devenue un outil essentiel pour permettre aux scientifiques de capturer des événements cosmiques rares et fugaces comme SN 2023zkd en temps réel, ce qui était presque impossible il y a quelques années seulement.

Alors que les outils d’IA se combinent avec de vastes enquêtes sur le ciel et des observatoires comme Rubin pour ouvrir la porte à de nombreuses découvertes, le fait que ces mêmes techniques puissent également être appliquées à la médecine, à la finance, à la sécurité nationale et au-delà met en évidence leur énorme potentiel de croisement, signalant une nouvelle ère d’innovation.

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Références :

1. Hahn, C., Lemos, P., Parker, L., et al. Contraintes cosmologiques à partir du regroupement des galaxies non gaussien et non linéaire en utilisant le cadre d’inférence SimBIG. Nature Astronomy, 8, 1457–1467, publié le 21 août 2024. https://doi.org/10.1038/s41550-024-02344-2

2. Gagliano, A., Villar, V. A., Matsumoto, T., Jones, D. O., Ransome, C. L., Nugent, A. E., Hiramatsu, D., Auchettl, K., Tsuna, D., Dong, Y., et al. Preuve d’une fusion binaire induite par instabilité dans la supernova de type IIn double-peaked et riche en hélium 2023zkd. The Astrophysical Journal, 989, 182, publié le 13 août 2025. https://doi.org/10.3847/1538-4357/adea38