We denken vaak aan astronomie als een visuele wetenschap met prachtige afbeeldingen van het universum. Astronomen gebruiken echter een breed scala aan analysehulpmiddelen naast afbeeldingen om de natuur op een dieper niveau te begrijpen.

Datasonificatie is het proces waarbij gegevens worden omgezet in geluid. Het heeft krachtige toepassingen in onderzoek, onderwijs en outreach, en stelt blinde en slechtziende gemeenschappen ook in staat om plots, afbeeldingen en andere gegevens te begrijpen.

Het gebruik ervan als hulpmiddel in de wetenschap staat nog in de kinderschoenen, maar astronomiegroepen lopen voorop.

In een paper gepubliceerd in Nature Astronomy , bespreken mijn collega's en ik de huidige staat van datasonificatie in de astronomie en andere gebieden, geven een overzicht van 100 op geluid gebaseerde projecten en verkennen de toekomstige richtingen.

Het cocktailparty-effect

Stel je deze scène voor:je bent op een druk feest dat nogal luidruchtig is. Je kent niemand en ze spreken allemaal een taal die je niet verstaat - niet goed. Dan hoor je stukjes van een gesprek in een verre hoek in jouw taal. Je concentreert je erop en gaat ernaartoe om jezelf voor te stellen.

Hoewel je misschien nog nooit zo'n feest hebt meegemaakt, is de gedachte aan het horen van een herkenbare stem of taal in een rumoerige ruimte bekend. Het vermogen van het menselijk oor en de hersenen om ongewenste geluiden uit te filteren en gewenste geluiden op te halen, wordt het "cocktailparty-effect" genoemd.

Evenzo verlegt de wetenschap altijd de grenzen van wat kan worden gedetecteerd, wat vaak vereist dat zeer zwakke signalen worden geëxtraheerd uit gegevens met ruis. In de astronomie proberen we vaak de zwakste, verste of meest vluchtige signalen te vinden. Gegevenssonificatie helpt ons om deze grenzen verder te verleggen.

De onderstaande video geeft voorbeelden van hoe sonificatie onderzoekers kan helpen zwakke signalen in gegevens te onderscheiden. Het beschikt over de sonificatie van negen bursts van een herhalende snelle radioburst genaamd FRB121102.

Snelle radio-uitbarstingen zijn uitbarstingen van radiostraling in milliseconden die halverwege het heelal kunnen worden gedetecteerd. We weten nog niet waardoor ze ontstaan. Ze detecteren op andere golflengten is de sleutel tot het begrijpen van hun aard.

Te veel van het goede

Wanneer we het universum met telescopen verkennen, ontdekken we dat het vol catastrofale explosies is, waaronder de supernova-sterfgevallen van sterren, samensmeltingen van zwarte gaten en neutronensterren die zwaartekrachtsgolven creëren, en snelle radio-uitbarstingen.

Hier kun je luisteren naar de samensmelting van twee zwarte gaten.

En de samensmelting van twee neutronensterren.

Deze gebeurtenissen stellen ons in staat om extreme fysica te begrijpen bij de hoogst bekende energieën en dichtheden. Ze helpen ons onder meer om de uitdijingssnelheid van het heelal te meten en hoeveel materie het bevat, en om te bepalen waar en hoe de elementen zijn ontstaan.

Aankomende faciliteiten zoals het Rubin Observatory en de Square Kilometre Array zullen elke nacht tientallen miljoenen van deze gebeurtenissen detecteren. We gebruiken computers en kunstmatige intelligentie om met deze enorme aantallen detecties om te gaan.

De meeste van deze gebeurtenissen zijn echter vage uitbarstingen en computers zijn maar zo goed in het vinden ervan. Een computer kan een zwakke burst herkennen als hij een sjabloon van het "gewenste" signaal krijgt. Maar als signalen afwijken van dit verwachte gedrag, gaan ze verloren.

En het zijn vaak juist deze gebeurtenissen die het meest interessant zijn en het grootste inzicht geven in de aard van het universum. Het gebruik van datasonificatie om deze signalen te verifiëren en uitbijters te identificeren kan krachtig zijn.

Meer dan op het eerste gezicht lijkt

Gegevenssonificatie is nuttig voor het interpreteren van wetenschap, omdat mensen audio-informatie sneller interpreteren dan visuele informatie. Ook kan het oor meer toonhoogten onderscheiden dan het oog kleurniveaus kan onderscheiden (en over een groter bereik).

Een andere richting die we voor datasonificatie onderzoeken, is multidimensionale data-analyse, wat inhoudt dat we de relaties tussen veel verschillende kenmerken of eigenschappen in geluid moeten begrijpen.

Gegevens in tien of meer dimensies tegelijk plotten is te complex en de interpretatie ervan is te verwarrend. Dezelfde gegevens kunnen echter veel gemakkelijker worden begrepen door middel van sonificatie.

Het blijkt dat het menselijk oor het verschil tussen het geluid van een trompet en een fluit onmiddellijk kan horen, zelfs als ze dezelfde noot (frequentie) spelen met dezelfde luidheid en duur.

Waarom? Omdat elk geluid hogere harmonischen bevat die helpen bij het bepalen van de geluidskwaliteit of het timbre. De verschillende sterktes van de hogere-orde harmonischen stellen de luisteraar in staat om het instrument snel te identificeren.

Stel je nu voor dat je informatie - verschillende eigenschappen van gegevens - plaatst als verschillende sterktes van hogere-orde harmonischen. Elk bestudeerd object zou een unieke toon hebben of behoren tot een klasse van tonen, afhankelijk van de algemene eigenschappen.

Met een beetje training kon een persoon bijna onmiddellijk alle eigenschappen van het object of de classificatie ervan horen en herkennen aan een enkele toon.

Voorbij onderzoek

Sonificatie heeft ook geweldige toepassingen in het onderwijs (Sonokids) en outreach (bijvoorbeeld SYSTEM Sounds en STRAUSS), en heeft wijdverbreide toepassingen op gebieden zoals geneeskunde, financiën en meer.

Maar misschien is de grootste kracht ervan om blinde en slechtziende gemeenschappen in staat te stellen beelden en complotten te begrijpen om te helpen bij het dagelijks leven.

Het kan ook zinvol wetenschappelijk onderzoek mogelijk maken, en dit kwantitatief doen, omdat onderzoekstools voor sonificatie op commando numerieke waarden leveren.

Deze mogelijkheid kan STEM-carrières onder blinden en slechtzienden helpen bevorderen. En daarbij kunnen we profiteren van een enorme pool van briljante wetenschappers en kritische denkers die zich anders misschien geen weg naar wetenschap hadden voorgesteld.

Wat we nu nodig hebben, is steun van de overheid en de industrie bij het verder ontwikkelen van sonificatietools, om de toegang en bruikbaarheid te verbeteren en om te helpen bij het vaststellen van sonificatienormen. + Verder verkennen

Nieuwe sonificaties van zwarte gaten met een remix zijn nu beschikbaar om te luisteren

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.