Wat hebben pulsars, quasars, donkere materie en donkere energie gemeen hebben? Antwoord:elk van hen verraste de ontdekker. Hoewel veel van de wetenschap zorgvuldig en methodisch vordert, de meeste werkelijk spectaculaire ontdekkingen in de astronomie zijn onverwacht.

Veel van onze telescopen zijn gebouwd om de bekende onbekenden te ontdekken:de dingen waarvan we weten dat we ze niet weten, zoals het identificeren van de dingen waaruit donkere materie bestaat.

Maar de echte doorbraken zijn de onbekende onbekenden. Dit zijn de dingen waarvan we niet eens vermoeden dat ze er zijn totdat we ze per ongeluk vinden.

Bijvoorbeeld, van de tien grootste ontdekkingen door de Hubble-ruimtetelescoop, slechts één die in het voorstel werd gebruikt om de bouw en lancering te rechtvaardigen. Die, het meten van de uitdijingssnelheid van het heelal, is een bekende onbekende.

Met andere woorden, we hadden een vraag over iets dat we wisten, en we dachten dat Hubble de vraag kon beantwoorden. De meeste andere ontdekkingen zijn onbekende onbekenden:we wisten niet wat ze waren totdat we ze tegenkwamen.

Ze omvatten de ontdekking van donkere energie, de enige Hubble-ontdekking (tot nu toe) die een Nobelprijs heeft gewonnen, in 2011.

Een toevallige ontdekking

Denk aan pulsars. Ze werden ontdekt in de jaren zestig toen een slimme jonge promovendus in het VK, Jocelyn Bell Burnell, bestudeerde het fonkelen van radiogolven door elektronen in de ruimte (een bekende onbekende).

Ze zag vreemde stukjes van wat ze 'scruff' noemde op haar kaartrecorder, en realiseerde zich dat ze iets veel schokkender waren dan louter tractorstoring, en ontdekte daarmee pulsars – een onbekende onbekende – waarvoor haar promotor Antony Hewish in 1974 de Nobelprijs voor natuurkunde won.

Dus hoe deed ze die ontdekking?

Behalve dat het een heldere, volhardend, ruimdenkende student, Bell Burnell observeerde het universum ook op een manier waarop het nog nooit eerder was waargenomen. Door te kijken naar snelle veranderingen in de radiogolven, ze observeerde het universum met behulp van een parameter - in dit geval korte tijdschaalobservaties - die nog niet eerder was gebruikt.

Andere ontdekkingen gebeuren wanneer mensen observeren met een andere parameter, zoals flauwvallen, of gebied van de hemel, dat is nog niet eerder waargenomen. Samen, deze parameters vormen onze parameterruimte.

De meeste grote astronomische ontdekkingen lijken te gebeuren wanneer iemand een nieuw deel van de parameterruimte waarneemt; het universum observeren op een manier waarop het nog niet eerder is waargenomen.

Deze nieuwe manier kan bestaan ​​uit dieper kijken, of met een betere resolutie, of op grotere schaal, of misschien gewoon veel meer van het universum zien. Het uitbreiden van een van deze parameters naar hun onontgonnen gebieden leidt waarschijnlijk tot een onverwachte ontdekking.

Op dit moment worden verschillende telescopen van de volgende generatie gebouwd, moedig gaan waar nog geen telescoop is geweest. Ze zullen het volume van de ruimte voor waarnemingsparameters aanzienlijk vergroten, en zou in principe onverwachte nieuwe fenomenen en nieuwe soorten objecten moeten ontdekken.

Bijvoorbeeld, CSIRO's ASKAP-telescoop van 165 miljoen dollar, nu bijna voltooid, onderzoekt verschillende gebieden van onbekende parameterruimte, met een uitstekende kans om een ​​grote onverwachte ontdekking tegen te komen die de wetenschappelijke wereld zou kunnen schokken.

Maar zullen we het herkennen als we het zien? Waarschijnlijk niet.

Bell Burnell ontdekte pulsars door moeizaam door al haar gegevens te bladeren, en merkte een kleine anomalie op die niet paste bij haar begrip van de telescoop.

Hoeveel gegevens?

Als Bell Burnell zou observeren met ASKAP, ze zou ongeveer 80 petabyte aan gegevens per jaar moeten doorzoeken, van een machine die zo complex is dat niemand er echt alles van begrijpt. Sorry, zelfs het brein van Bell Burnell is niet opgewassen tegen die hoeveelheid gegevens.

We kunnen onmogelijk al die gegevens met het oog onderzoeken. Dus de manier waarop we onze wetenschap doen, is dat we beslissen over de wetenschappelijke vraag die we stellen, en verander het in een gegevensquery.

Vervolgens ontginnen we de database op zoek naar die stukjes gegevens die onze vraag zullen beantwoorden.

Dit is een zeer efficiënte manier om de bekende onbekenden te beantwoorden. Helaas, het is nutteloos bij het vinden van de onbekende onbekenden. We krijgen alleen antwoord op de vragen die we stellen, en niet op de vragen waarvan we niet wisten dat we ze moesten stellen.

Herinner je je nu de Hitchhiker's Guide to the Galaxy sciencefiction/fantasy-serie van auteur Douglas Adams? Wanneer een gigantische computer, Diepe gedachte, vond het antwoord op "het leven, het universum, en alles" om 42 te zijn, een ander, zelfs groter, computer moest worden gebouwd om erachter te komen wat de eigenlijke vraag was.

Kunnen we een machine ontwerpen, of een stukje software, Bell Burnells brein repliceren bij het detecteren van onbekende onbekenden, maar comfortabel werken met petabytes aan gegevens en ongelooflijk complexe telescopen?

WTF in het onbekende

Ik denk dat we kunnen, en we zijn al begonnen met het project WTF, wat staat voor Widefield Outlier Finder, met de voortgang tot nu toe die vorige maand is gepubliceerd. De WTF-machine doorzoekt de petabytes aan gegevens, op zoek naar iets onverwachts, zonder precies te weten waar het naar zoekt.

De truc is om machine learning-technieken te gebruiken, waar we de software leren over alle dingen die we weten, en vraag het dan om dingen te vinden waar we geen weet van hebben.

Bijvoorbeeld, het kan een grafiek van radiohelderheid uitzetten tegen optische kleur. Op die grafiek, het zou een cluster van quasars bij elkaar vinden, een andere cluster van sterrenstelsels zoals de Melkweg, enzovoort.

Misschien vindt het nog een cluster van objecten die we niet hadden verwacht en waarvan we niets wisten. Onze nietige hersens kunnen niet meer dan een deukje maken in alle mogelijke grafieken die moeten worden uitgezet, maar WTF zal deze in zijn pas nemen.

Dit proces zal niet gemakkelijk zijn. Aanvankelijk, WTF zal waarschijnlijk dingen opduiken die we vergeten zijn te vertellen, en het zal ook radio-interferentie en instrumentale artefacten vinden.

Terwijl we het geleidelijk leren wat deze zijn, het zal werkelijk nieuwe objecten en fenomenen gaan herkennen. Belangrijker, het zal nieuwe dingen gaan leren van de gegevens die onzichtbaar zijn gemaakt voor onze hersenen door hun pure multidimensionale complexiteit, maar zal koren op de molen zijn voor WTF.

We verwachten dat WTF slimmer wordt dan wij, in staat om die zeldzame ontdekkingen te vinden die in de gegevens zijn begraven. Misschien wint WTF zelfs de eerste niet-menselijke Nobelprijs.

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation. Lees het originele artikel.