Vooruitgang op het gebied van metrologie heeft geresulteerd in totaal nieuwe instrumenten waarvan de ruwe gegevens moeten worden gepresenteerd in beelden die begrijpelijk zijn voor mensen, daarom heeft de groep van Torsten Enßlin aan het Max Planck Institute for Astrophysics in Garching het afgelopen decennium onderzoek gedaan naar informatieveldentheorie. Voortbouwend op deze theorie, het team ontwikkelt beeldverwerkingssoftware die bekend staat als NIFTy, die gegevens van verschillende instrumenten kan verwerken om de structurele eigenschappen van een bepaalde waarneming af te leiden. NIFTy5, bijvoorbeeld, gebruikte gegevens van het Gaia-ruimteobservatorium om de ruimtelijke verdeling van stofwolken in de Melkweg te bepalen.

Astronomen maken nu waarnemingen van het heelal in bijna alle golflengten, maar, in tegenstelling tot bijvoorbeeld telescopen, de informatie die door radiotelescopen wordt vastgelegd, wordt geleverd in de vorm van röntgenstralen en gammastralen. De meeste beelden die met deze instrumenten worden verkregen, zijn het resultaat van complexe berekeningen die speciaal voor elke afzonderlijke telescoop zijn ontwikkeld.

Echter, een compleet beeld van een bepaald hemellichaam kan alleen worden gemaakt door de gegevens uit verschillende velden te vergelijken, daarom is het wenselijk om de beelden van al deze instrumenten te combineren.

Dit is mogelijk met behulp van een concept dat bekend staat als informatieveldentheorie, die op de volgende manier werkt:ervan uitgaande dat men de temperatuurverdeling over Duitsland wil weergeven, dit zou overeenkomen, in theorie, tot een oneindig groot bereik van temperatuurwaarden. Nog, in praktische termen, slechts een eindig aantal waarden kan worden gemeten.

Een computer berekent op basis van deze onvolledige dekking het hele temperatuurveld. Om een ​​succesvol resultaat te garanderen, de computer is voorzien van bepaalde bekende wetten - bijvoorbeeld dat temperatuurverschillen zelden tussen aangrenzende gebieden springen.

NIFTy (Numerieke informatieveldentheorie), waarmee Torsten Enßlin en zijn collega's erin slaagden de ruimtelijke verdeling van stofwolken in de Melkweg te bepalen, werkt volgens hetzelfde principe, met behulp van gegevens van het Europese ruimteobservatorium, Gaia, die de afstanden tussen sterren meet en deze registreert door middel van verschillende kleurenfilters.

De differentiële helderheid van deze filtervelden maakt het mogelijk om een ​​schatting te maken van de stofvolumes waardoor het sterlicht op weg naar de aarde is gepasseerd. "Vanuit de posities van de sterren en stofvolumes tussen ons en hen, " zegt Enßlin "we waren in staat om de ruimtelijke structuur van de stofwolken te berekenen."

Het uitdagende van deze taak was dat de beschikbare gegevens eigenlijk te schaars waren voor een nauwkeurige reconstructie, daarom, zoals Enßlin zegt:"we gingen ervan uit dat in plaats van willekeurig te variëren van pixel tot pixel, de stofdichtheid zou de statistische wetten gehoorzamen." Natuurkundigen spreken van een correlatie, toch is deze correlatiefunctie vaak onbekend en moet deze worden bepaald als onderdeel van de totale berekening. "Dat is waarom, " legt de Max-Planck-onderzoeker uit, "we controleren continu welke correlatiefunctie het beste bij de gegevens past gedurende de hele berekening en gebruiken deze voor beeldvorming. Deze methode van niet-parametrische zelfaanpassing van het proces maakt ons tot de wereldleiders op dit gebied."

Op basis van de correlatiegegevens, NIFTy5 genereert niet alleen een kaart van de stofwolk, maar biedt ook een grafiek die de mate van onzekerheid van de nauwkeurigheid van het model voor elke afzonderlijke pixel laat zien.

Het menselijk brein werkt op een vergelijkbare manier. Als we naar zoiets als een bepaald landschap kijken, het ontwikkelt verschillende hypothesen over de structuur van wat het ziet, terwijl het deze tegelijkertijd toepast als bedieningsinstructies - bijvoorbeeld om te beslissen over de beste route door een bepaalde plaats.

Het team van Enßlin gebruikte een kunstmatig gegenereerde scène om te bewijzen dat NIFTy5 echt werkt. Om dit te doen, de onderzoekers creëerden een golfveld op de computer op basis van willekeurige gebeurtenissen en bestippelden het vervolgens met fragmentarische meetpunten die slechts een deel van het hele golfsysteem bestreken. Het programma reconstrueerde vervolgens het hele golfveld uit de gegevens zonder voorkennis van de golfdynamiek, een begrip waarvan het geleerd heeft.

In aanvulling, NIFTy5 is sneller geworden door verdere wiskundige innovaties, inclusief de implementatie van een proces dat bekend staat als "variationele gevolgtrekking door middel van metrische Gauß", waardoor voor de berekening veel minder geheugenruimte nodig is dan voorheen het geval was.

"Dit maakt NIFTy5 niet alleen sneller dan zijn voorgangers, het kan ook rondkomen met gegevens van mindere kwaliteit, " Enßlin legt uit. Dit, hij gaat verder met te zeggen, kan het mogelijk maken om de blootstelling aan röntgenstralen tijdens computertomografiebeeldvorming te verminderen, met behoud van dezelfde beeldkwaliteit.

NIFTy5 is al gebruikt om een ​​reeks astronomische beeldvormingsproblemen op te lossen. Een geplande samenwerking met de Technische Universiteit van München zou kunnen resulteren in het gebruik van de allround software in het dagelijks leven.