Published September 20, 2021 | Version v1
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Bayesian deep learning for weak lensing analyses : overlapping galaxies separation and galaxy parameters estimation from blended scenes

Description

Weak gravitational lensing is one of the most promising probes to constrain dark energy parameters. It corresponds to the distortion of a source image, induced by the bending of space-time, thus of the light path, generated by the presence of mass along the line of sight. This effect is small and can only be detected measuring the correlation of the shapes of a group of background galaxies. The value of this correlation yields the value of the cosmic shear. Several surveys dedicated to its study are going to start soon, such as the Vera Rubin Legacy Surveys of Space and Time (LSST), and Euclid. These surveys have been built with particular requirements, especially about the treatment of systematic errors, in order to reach an extreme precision on the dark energy equation of state parameters. This thesis happened in the context of the Dark Energy Science Collaboration (DESC), inside the LSST experiment. It focuses on the issue of blending, the overlap of astronomical sources. The blending of galaxies introduces a dominant systematic uncertainty on the cosmic shear measurement. This systematic effect impacts the shape and the redshift measurements, both necessary for weak gravitational lensing analysis. We propose two avenues based on Bayesian deep learning methods. The first one is a deblending algorithm which uses a deep generative network called variational autoencoder. This neural network allows to learn a prior for the generation of isolated galaxy images. The latter is used in a second network to perform the deblending of the centred galaxy on images of simulated galaxies. We show that the pixel joint analysis of LSST and Euclid data decreases the median error on galaxy shape reconstruction from 8 to 47%. Blending of sources being closely linked to detection, we demonstrate that our method is robust to small decentring. Also we test our method on images of real galaxies artificially blended showing the interest of transfer learning from a neural network trained on simulated galaxy images. An iterative process is then designed in order to separate all the galaxies in an image going through detection, classification and deblending of sources. Finally this deblending algorithm is tested on images extracted from the DC2 simulation, generated within the DESC to prepare for the analysis of futures images taken by LSST. Our results show an improvement of 70 to 120% on the median error on galaxy shape reconstruction compared to the generic method used in the current LSST pipeline. Then, inspired by this first method, we propose a neural network allowing for the direct estimation of galaxy shape and redshift parameters from DC2 images, without going through the deblending. We show that this neural network allows for a precise measurement of these parameters, even when sources are blended, and we compare these results to the ones obtained with deblending. Then we present the first application of a Bayesian neural network to galaxy shapes estimation. This kind of network provides the estimation of the epistemic uncertainty which characterizes the uncertainty coming from the training sample. It can be viewed as a confidence level in the measurement performed by the network, a primordial information for the application of neural networks in science and in cosmology. It can be used to decrease the importance (or reject) of an incorrect measurement in the analysis. (author)

Abstract (French)

Le lentillage gravitationnel faible est l'une des sondes cosmologiques les plus prometteuses pour contraindre les parametres de l'energie noire. Il correspond a la modification de l'image d'une source, induite par la courbure de l'espace-temps, et donc du passage des rayons lumineux, generee par la presence de masse le long de la ligne de visee. Cet effet est tres faible et ne peut etre detecte qu'en mesurant la correlation des formes d'un ensemble de sources en arriere-plan. La valeur de cette correlation donne la mesure du cisaillement gravitationnel. Plusieurs releves dedies a son etude vont bientot demarrer, tels que le Vera Rubin Legacy Survey of Space and Time (LSST), et Euclid. Ces releves ont ete construits avec des exigences particulieres, notamment sur le traitement des erreurs systematiques, afin d'atteindre une precision extreme sur les parametres de l'equation d'etat de l'energie noire. Cette these s'est deroulee dans le contexte de la Dark Energy Science Collaboration (DESC), au sein de l'experience LSST. Elle se focalise sur la problematique de la superposition de sources. Cet effet genere une incertitude systematique dominante dans la mesure du cisaillement gravitationnel. Cette systematique impacte a la fois les mesures de forme et celles du decalage vers le rouge des galaxies, deux mesures necessaires a l'etude du lentillage gravitationnel faible. Nous proposons deux solutions basees sur les methodes bayesiennes d'apprentissage profond. La premiere est un algorithme de separation de galaxies qui utilise un reseau de neurones generatif appele autoencodeur variationnel. Ce reseau de neurones permet l'apprentissage d'un prior pour la generation d'images de galaxie isolee. Celui-ci est utilise dans un second reseau qui fait la separation de la galaxie centrale sur des images de galaxies simulees. Nous montrons que l'analyse jointe des pixels des donnees LSST et Euclid permet une diminution de l'erreur mediane de reconstruction des formes des galaxies de 8 a 47%. La superposition de sources etant etroitement liee a l'etape de detection, nous demontrons la robustesse de notre methode a de petits decentrages. Nous avons aussi teste notre methode sur des images de vraies galaxies artificiellement superposees, montrant l'interet du transfert d'apprentissage a partir d'un reseau de neurones entraine sur des images de galaxies simulees. Une processus iteratif est ensuite mis en place afin de pouvoir separer toutes les galaxies d'une image en passant par des etapes de detection, classification, et separation des sources. Enfin, cet algorithme de separation de galaxies est teste sur des images extraites de la simulation DC2, generee au sein de DESC dans le but de preparer a l'analyse des futures images prises par LSST. Nos resultats montrent une amelioration de 70 a 120% sur l'erreur mediane de reconstruction des formes comparee a la methode generique utilisee dans la pipeline LSST actuellement. Ensuite, inspires de cette premiere methode, nous proposons un reseau de neurones permettant de faire directement l'estimation des parametres de forme et de decalage vers le rouge d'une galaxie a partir des images DC2, sans appliquer de methode de separation de sources. Nous montrons que ce reseau permet des mesures precises de ces parametres, meme lorsque les sources sont superposees, et comparons ces resultats a ceux obtenus avec separation de source. Par la suite, nous presentons une premiere application d'un reseau de neurones bayesien a l'estimation des formes des galaxies. Ce type de reseau permet l'estimation de l'incertitude epistemique qui represente l'incertitude liee a l'echantillon d'entrainement. Celle-ci peut etre vue comme un niveau de confiance dans la mesure realisee par le reseau, une information cruciale a l'utilisation des reseaux de neurones en science et en cosmologie. Elle permet de diminuer l'importance (voir de rejeter) d'une mesure qui a de fortes probabilites d'etre erronee dans l'analyse

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Original title (English)
Apprentissage profond bayesien pour les analyses de lentillage faible: separation de galaxies se recouvrant et estimation de parametres des galaxies a partir de sources superposees

Publishing Information

Imprint Pagination
243 p.
Report number
FRCEA-TH--14806

INIS

Country of Publication
France
Country of Input or Organization
France
INIS RN
53124828
Subject category
S79: ASTROPHYSICS, COSMOLOGY AND ASTRONOMY;
Resource subtype / Literary indicator
Thesis
Descriptors DEI
ALGORITHMS; ASTRONOMY; COSMOLOGY; DATA COVARIANCES; DATA PROCESSING; EQUATIONS OF STATE; IMAGE PROCESSING; ITERATIVE METHODS; MIXING; NEURAL NETWORKS
Descriptors DEC
CALCULATION METHODS; EQUATIONS; MATHEMATICAL LOGIC; PROCESSING

Optional Information

Notes
350 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses