宇宙的标准模型只依赖于六个数字。利用一种由人工智能驱动的新方法，Flatiron研究所的研究人员和他们的同事提取了隐藏在星系分布中的信息，以令人难以置信的精度估计了其中五个所谓的宇宙学参数的值。
结果比以前的方法产生的值有了显著的改进。与使用相同星系数据的传统技术相比，该方法在描述宇宙物质团块的参数上产生的不确定性不到一半。这种人工智能驱动的方法也与基于对其他现象(如宇宙最古老的光)的观测而得出的宇宙学参数估计非常吻合。
研究人员在最近的一系列论文中展示了他们的方法，即基于模拟的星系推断(SimBIG)，其中包括8月21日发表在《自然天文学》上的一项新研究。
纽约市熨斗研究所计算天体物理中心(CCA)的小组负责人、该研究的合著者Shirley Ho说，在使用相同数据的同时，对参数产生更严格的约束，对于研究从暗物质的组成到推动宇宙分离的暗能量的本质等一切问题至关重要。她说，随着未来几年对宇宙的新调查上线，这一点尤其正确。
“每一次这样的调查都要花费数亿到数十亿美元，”何说。“这些调查存在的主要原因是我们想更好地了解这些宇宙学参数。因此，如果你从一个非常实际的角度来考虑，这些参数每个值数千万美元。你想要最好的分析，你可以从这些调查中提取尽可能多的知识，并推动我们对宇宙理解的界限。”
这六个宇宙学参数描述了宇宙中普通物质、暗物质和暗能量的数量，以及大爆炸后的情况，比如新生宇宙冷却时的不透明度，以及宇宙中的质量是分散的还是大块的。这些参数“本质上是宇宙的‘设置’，决定了它在最大尺度上是如何运行的，”《自然天文学》研究的合著者、CCA的研究分析师利亚姆·帕克(Liam Parker)说。
宇宙学家计算参数的最重要方法之一是研究宇宙中星系的聚集。以前，这些分析只关注星系的大规模分布。
普林斯顿大学副研究学者、《自然天文学》研究报告的主要作者张勋·哈恩(ChangHoon Hahn)说:“我们还不能缩小到小尺度。”“几年来，我们已经知道那里有额外的信息;我们只是没有一个很好的方法来提取它。”
哈恩提出了一种利用人工智能提取小规模信息的方法。他的计划分为两个阶段。首先，他和他的同事将训练一个人工智能模型，根据模拟宇宙的外观来确定宇宙学参数的值。然后他们会展示他们的模型，实际观测到的星系分布。
Hahn, Ho, Parker和他们的同事通过展示2000个盒形宇宙来训练他们的模型，这些宇宙来自cca开发的Quijote模拟套件，每个宇宙都使用不同的宇宙学参数值来创建。研究人员甚至让这2000个宇宙看起来像星系调查产生的数据——包括大气和望远镜本身的缺陷——来给这个模型提供现实的实践。“这是大量的模拟，但这是一个可控的数量，”哈恩说。“如果你没有机器学习，你就需要成千上万的人。”
通过摄取模拟，该模型随着时间的推移了解了宇宙学参数的值如何与星系团中的小规模差异相关联，例如单个星系对之间的距离。SimBIG还学会了如何通过一次观察三个或更多的星系，并分析它们之间形成的形状，比如长而拉伸的三角形或蹲的等边三角形，从宇宙星系的大格局中提取信息。
经过训练的模型，研究人员将其与重子振荡光谱调查测量的109636个真实星系进行了对比。正如他们所希望的那样，该模型利用数据中的小尺度和大尺度细节来提高其宇宙学参数估计的精度。这些估计非常精确，相当于使用大约四倍的星系进行的传统分析。这很重要，何说，因为宇宙只有这么多星系。通过用更少的数据获得更高的精度，SimBIG可以突破可能的极限。
哈恩说，这种精度的一个令人兴奋的应用将是被称为哈勃张力的宇宙学危机。这种紧张源于对哈勃常数的不匹配估计，哈勃常数描述了宇宙中一切事物扩散的速度。
计算哈勃常数需要使用“宇宙尺子”来估计宇宙的大小。根据遥远星系中被称为超新星的爆炸恒星的距离得出的估计比根据宇宙中最古老的光的波动间隔得出的估计高10%左右。
未来几年上线的新调查将捕捉到更多的宇宙历史。哈恩说，将来自这些调查的数据与SimBIG进行配对将更好地揭示哈勃张力的程度，以及这种不匹配是否可以解决，或者是否需要修改宇宙模型。他说:“如果我们非常精确地测量这些量，并能坚定地说存在张力，这可能会揭示关于暗能量和宇宙膨胀的新物理学。”
Hahn、Ho和Parker与Flatiron研究所计算数学中心(CCM)的Michael Eickenberg、CCA的Pablo Lemos、CCA和CCM的Chirag Modi、CCM的Bruno rgaldo - saint Blancard、Simons基金会主席David Spergel、佛罗里达大学的Jiamin Hou、滑铁卢大学的Elena Massara和日内瓦大学的Azadeh Moradinezhad Dizgah一起参与了自然天文学SimBIG研究。
关于熨斗研究所
熨斗研究所是西蒙斯基金会的研究部门。该研究所的使命是通过计算方法推进科学研究，包括数据分析、理论、建模和仿真。该研究所的计算天体物理中心创建了新的计算框架，使科学家能够分析大型天文数据集，并在宇宙学背景下理解复杂的多尺度物理。
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希望本篇文章《人工智能助力天体物理学家精准探测宇宙环境》能对你有所帮助！
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