Astroinformática

La astroinformática es un campo de estudio interdisciplinario que involucra la combinación de astronomía , ciencia de datos , aprendizaje automático , informática y tecnologías de la información y la comunicación . ^{[ 2 ] [ 3 ]} El campo está estrechamente relacionado con la astroestadística .

La astronomía basada en datos ( DDA, por sus siglas en inglés) se refiere al uso de la ciencia de datos en la astronomía . Se consideran diversos resultados de observaciones telescópicas y estudios del cielo , y se utilizan enfoques relacionados con la minería de datos y la gestión de macrodatos para analizar, filtrar y normalizar el conjunto de datos. Estos datos se utilizan posteriormente para realizar clasificaciones , predicciones y detecciones de anomalías mediante enfoques estadísticos avanzados , procesamiento digital de imágenes y aprendizaje automático . Los astrónomos y científicos espaciales utilizan los resultados de estos procesos para estudiar e identificar patrones, anomalías y movimientos en el espacio exterior, así como para formular teorías y realizar descubrimientos en el cosmos .

La astroinformática se centra principalmente en el desarrollo de herramientas, métodos y aplicaciones de la ciencia computacional , la ciencia de datos , el aprendizaje automático y la estadística para la investigación y la educación en astronomía orientada a datos. ^{[ 2 ]} Los primeros esfuerzos en esta dirección incluyeron el descubrimiento de datos , el desarrollo de estándares de metadatos , el modelado de datos , el desarrollo de diccionarios de datos astronómicos, el acceso a datos , la recuperación de información , ^{[ 4 ]} la integración de datos y la minería de datos ^{[ 5 ]} en las iniciativas del Observatorio Virtual Astronómico . ^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]} El desarrollo posterior del campo, junto con el respaldo de la comunidad astronómica, se presentó al Consejo Nacional de Investigación (Estados Unidos) en 2009 en el documento de posición sobre el "estado de la profesión" de la astroinformática para la Encuesta Decenal de Astronomía y Astrofísica de 2010. ^{[ 9 ]} Ese documento de posición proporcionó la base para la posterior exposición más detallada del campo en el artículo de Informatics Journal Astroinformática: Investigación y Educación en Astronomía Orientada a Datos . ^{[ 2 ]}

La astroinformática como campo de investigación independiente se inspiró en el trabajo realizado en los campos de la geoinformática , la quimioinformática , la bioinformática y a través del trabajo de eCiencia ^{[ 10 ]} de Jim Gray (científico informático) en Microsoft Research , cuyo legado fue recordado y continuado a través de los Premios Jim Gray de eCiencia. ^{[ 11 ]}

Aunque el enfoque principal de la astroinformática se centra en la gran colección mundial distribuida de bases de datos astronómicas digitales, archivos de imágenes y herramientas de investigación, el campo también reconoce la importancia de los conjuntos de datos históricos, utilizando tecnologías modernas para preservar y analizar observaciones astronómicas históricas. Algunos profesionales de la astroinformática ayudan a digitalizar observaciones e imágenes astronómicas históricas y recientes en una gran base de datos para su recuperación eficiente a través de interfaces web . ^{[ 3 ] [ 12 ]} Otro objetivo es ayudar a desarrollar nuevos métodos y software para astrónomos, así como facilitar el proceso y el análisis de la creciente cantidad de datos en el campo de la astronomía. ^{[ 13 ]}

La astroinformática se describe como el "cuarto paradigma" de la investigación astronómica. ^{[ 14 ]} Existen muchas áreas de investigación relacionadas con la astroinformática, como la minería de datos, el aprendizaje automático, la estadística, la visualización, la gestión de datos científicos y la ciencia semántica. ^{[ 7 ]} La minería de datos y el aprendizaje automático desempeñan un papel importante en la astroinformática como disciplina de investigación científica debido a su enfoque en el "descubrimiento de conocimiento a partir de datos" (KDD) y el "aprendizaje a partir de datos". ^{[ 15 ] [ 16 ]}

La cantidad de datos recopilados de los sondeos astronómicos del cielo ha crecido de gigabytes a terabytes durante la última década y se prevé que crezca en la próxima década hasta alcanzar cientos de petabytes con el Telescopio de Sondeo Sinóptico Grande y exabytes con el Conjunto de Kilómetro Cuadrado . ^{[ 17 ]} Esta plétora de nuevos datos permite y, a la vez, supone un desafío para la investigación astronómica eficaz. Por lo tanto, se requieren nuevos enfoques. En parte debido a esto, la ciencia basada en datos se está convirtiendo en una disciplina académica reconocida. En consecuencia, la astronomía (y otras disciplinas científicas) están desarrollando subdisciplinas intensivas en información y datos hasta tal punto que estas subdisciplinas se están convirtiendo (o ya se han convertido) en disciplinas de investigación independientes y programas académicos completos. Si bien muchos institutos de educación no cuentan con un programa de astroinformática, es muy probable que dichos programas se desarrollen en un futuro próximo.

La informática se ha definido recientemente como «el uso de datos digitales, información y servicios relacionados para la investigación y la generación de conocimiento». Sin embargo, la definición habitual o comúnmente utilizada es «la informática es la disciplina de organizar, acceder, integrar y extraer datos de múltiples fuentes para el descubrimiento y el apoyo a la toma de decisiones». Por lo tanto, la disciplina de la astroinformática incluye muchas especialidades relacionadas, como el modelado y la organización de datos. También puede incluir métodos de transformación y normalización para la integración de datos y la visualización de información, así como extracción de conocimiento, técnicas de indexación, recuperación de información y métodos de minería de datos. Los esquemas de clasificación (por ejemplo, taxonomías , ontologías , folksonomías y/o etiquetado colaborativo ^{[ 18 ]} ), además de la astroestadística , también tendrán un papel fundamental. Los proyectos de ciencia ciudadana (como Galaxy Zoo ) también contribuyen con valiosos descubrimientos novedosos, metaetiquetado de características y caracterización de objetos dentro de grandes conjuntos de datos astronómicos. Todas estas especialidades permiten el descubrimiento científico en diversas colecciones masivas de datos, la investigación colaborativa y la reutilización de datos, tanto en entornos de investigación como de aprendizaje.

En 2007, se lanzó el proyecto Galaxy Zoo ^{[ 19 ]} para la clasificación morfológica ^{[ 20 ] [ 21 ]} de un gran número de galaxias . En este proyecto, se consideraron 900.000 imágenes para su clasificación, tomadas del Sloan Digital Sky Survey (SDSS) ^{[ 22 ]} durante los últimos 7 años. La tarea consistía en estudiar cada imagen de una galaxia, clasificarla como elíptica o espiral y determinar si giraba o no. El equipo de astrofísicos liderado por Kevin Schawinski en la Universidad de Oxford estuvo a cargo de este proyecto, y Kevin y su colega Chris Linlott calcularon que un equipo de este tipo tardaría entre 3 y 5 años en completar el trabajo. ^{[ 23 ]} Allí surgió la idea de utilizar técnicas de aprendizaje automático y ciencia de datos para analizar las imágenes y clasificarlas. ^{[ 24 ]}

En 2012, se presentaron dos documentos de posición ^{[ 25 ] [ 26 ]} al Consejo de la Sociedad Astronómica Estadounidense que llevaron al establecimiento de grupos de trabajo formales en astroinformática y astroestadística para la profesión de la astronomía dentro de los EE. UU. y otros lugares. ^{[ 27 ]}

La astroinformática proporciona un contexto natural para la integración de la educación y la investigación. ^{[ 28 ]} La experiencia de la investigación ahora se puede implementar dentro del aula para establecer y desarrollar la alfabetización de datos a través de la fácil reutilización de datos. ^{[ 29 ]} También tiene muchos otros usos, como la reutilización de datos de archivo para nuevos proyectos, vínculos entre literatura y datos, recuperación inteligente de información y muchos otros. ^{[ 30 ]}

Los datos obtenidos de los estudios celestes se someten primero a un preprocesamiento . En este proceso, se eliminan las redundancias y se filtran. Posteriormente, se realiza una extracción de características sobre este conjunto de datos filtrado, que luego se utiliza para su procesamiento. ^{[ 31 ]} Algunos de los estudios celestes más reconocidos se enumeran a continuación:

• El Sondeo Digital del Cielo de Palomar (DPOSS) ^{[ 32 ]}
• El Sondeo de Todo el Cielo de Dos Micras (2MASS) ^{[ 33 ]}
• Telescopio de Green Bank (GBT) ^{[ 34 ]}
• El Explorador de la Evolución Galáctica (GALEX) ^{[ 35 ]}
• El Sondeo Digital del Cielo Sloan (SDSS) ^{[ 22 ]}
• Sondeo del cielo austral SkyMapper (SMSS) ^{[ 36 ]}
• El Telescopio de Sondeo Panorámico y Sistema de Respuesta Rápida (PanSTARRS) ^{[ 37 ]}
• El Telescopio de Sondeo Sinóptico Grande (LSST) ^{[ 38 ]}
• El conjunto de kilómetros cuadrados (SKA) ^{[ 39 ]}

El volumen de datos de los estudios celestes mencionados anteriormente oscila entre 3 TB y casi 4,6 EB . ^{[ 31 ]} Además, las tareas de minería de datos que implican la gestión y manipulación de los datos incluyen métodos como clasificación , regresión , agrupamiento , detección de anomalías y análisis de series temporales . Para la realización de estas tareas se emplean diversos enfoques y aplicaciones para cada uno de estos métodos.  

Conferencias adicionales y listas de conferencias:

• Astronomía e Informática
• Sistema de Datos Astrofísicos
• Biblioteca de código fuente de astrofísica
• Astroestadística
• Comité de Datos para la Ciencia y la Tecnología
• Astronomía basada en datos
• Zoológico galáctico
• Asociación Internacional de Astroestadística
• Alianza Internacional de Observatorios Virtuales (IVOA)
• Vía Láctea@home
• Observatorio virtual
• Telescopio Mundial
• Zooniverso

• Asociación Internacional de Astroinformática (IAIA)
• Software y sistemas de análisis de datos astronómicos (ADASS)
• Portal de Astroestadística y Astroinformática
• Iniciativa de Cosmoestadística (COIN)
• Comisión de Astroinformática y Astroestadística de la Unión Astronómica Internacional