Eine KI-gestützte Analyse der dreidimensionalen Galaxienverteilung in unserem Universum

Durch die Anwendung einer maschinellen Lerntechnik, einer neuronalen Netzwerkmethode, auf gigantische Mengen von Simulationsdaten über die Entstehung kosmischer Strukturen im Universum hat ein Forscherteam ein sehr schnelles und hocheffizientes Softwareprogramm entwickelt, das theoretische Vorhersagen über die Struktur treffen kann Formation. Durch den Vergleich von Modellvorhersagen mit tatsächlichen Beobachtungsdatensätzen gelang es dem Team, kosmologische Parameter genau zu messen, berichtet eine Studie in Körperliche Überprüfung D.

Als die bisher größte Galaxiendurchmusterung der Welt, der Sloan Digital Sky Survey (SDSS), anhand der beobachteten Verteilung von Galaxien eine dreidimensionale Karte des Universums erstellte, wurde deutlich, dass Galaxien bestimmte Eigenschaften aufweisen. Einige klumpten zusammen oder breiteten sich in Filamenten aus, und an manchen Stellen gab es Hohlräume, wo überhaupt keine Galaxien existierten. All diese Schaugalaxien haben sich nicht einheitlich entwickelt, sie sind durch ihre lokale Umgebung entstanden. Im Allgemeinen sind sich die Forscher einig, dass diese ungleichmäßige Verteilung von Galaxien auf die Auswirkungen der Schwerkraft zurückzuführen ist, die durch die Verteilung von „unsichtbarer“ dunkler Materie verursacht wird, der mysteriösen Materie, die noch niemand direkt beobachtet hat.

Durch die detaillierte Untersuchung der Daten in der dreidimensionalen Karte von Galaxien konnten die Forscher die grundlegenden Größen wie die Menge an dunkler Materie im Universum aufdecken. In den letzten Jahren wurden N-Körper-Simulationen häufig in Studien eingesetzt, die die Bildung kosmischer Strukturen im Universum nachbilden. Diese Simulationen ahmen die anfänglichen Inhomogenitäten bei hohen Rotverschiebungen durch eine große Anzahl von N-Körper-Partikeln nach, die effektiv Partikel der Dunklen Materie darstellen, und simulieren dann, wie sich die Verteilung der Dunklen Materie im Laufe der Zeit entwickelt, indem sie die Gravitationszugkräfte zwischen Partikeln in einem expandierenden Universum berechnen. Die Simulationen sind jedoch normalerweise teuer und dauern auf einem Supercomputer mehrere zehn Stunden, selbst für ein einziges kosmologisches Modell.

Ein Forscherteam unter der Leitung des ehemaligen Projektforschers des Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU), Yosuke Kobayashi (derzeit Postdoctoral Research Associate an der University of Arizona), dem Professor Masahiro Takada von Kavli IPMU und Kavli IPMU Visiting Scientists angehören Takahiro Nishimichi und Hironao Miyatake kombinierten maschinelles Lernen mit numerischen Simulationsdaten des Supercomputers „ATERUI II“ am National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ), um theoretische Berechnungen des Leistungsspektrums zu erstellen, der grundlegendsten Größe, die bei Galaxiendurchmusterungen gemessen wurde, was Forschern mitteilt statistisch, wie Galaxien im Universum verteilt sind.

Normalerweise müssten mehrere Millionen N-Körper-Simulationen durchgeführt werden, aber Kobayashis Team konnte ihrem Programm mithilfe von maschinellem Lernen beibringen, das Leistungsspektrum mit der gleichen Genauigkeit wie eine Simulation zu berechnen, selbst für ein kosmologisches Modell dafür Die Simulation wurde noch nicht ausgeführt. Diese Technologie wird als Emulator bezeichnet und wird bereits in der Informatik außerhalb der Astronomie eingesetzt.

„Durch die Kombination von maschinellem Lernen mit numerischen Simulationen, die viel kosten, konnten wir Daten aus astronomischen Beobachtungen mit hoher Präzision analysieren. Diese Emulatoren wurden zuvor in kosmologischen Studien verwendet, aber kaum jemand konnte die zahlreichen berücksichtigen andere Effekte, die die Ergebnisse kosmologischer Parameter unter Verwendung echter Galaxiendurchmusterungsdaten beeinträchtigen würden. Unser Emulator kann und war in der Lage, echte Beobachtungsdaten zu analysieren. Diese Studie hat eine neue Grenze für die groß angelegte Analyse von Strukturdaten eröffnet“, sagte der Hauptautor Kobayashi .

Um den Emulator jedoch auf tatsächliche Galaxienvermessungsdaten anzuwenden, musste das Team die Unsicherheit der „Galaxienverzerrung“ berücksichtigen, eine Unsicherheit, die berücksichtigt, dass Forscher aufgrund ihrer komplizierten Physik, die der Galaxienbildung innewohnt, nicht genau vorhersagen können, wo sich Galaxien im Universum bilden .

Um diese Schwierigkeit zu überwinden, konzentrierte sich das Team auf die Simulation der Verteilung von „Halos“ aus dunkler Materie, wo es eine hohe Dichte an dunkler Materie und eine hohe Wahrscheinlichkeit der Bildung von Galaxien gibt. Dem Team gelang es, eine flexible Modellvorhersage für ein gegebenes kosmologisches Modell zu erstellen, indem es eine ausreichende Anzahl von „störenden“ Parametern einführte, um die Ungewissheit der Galaxienabweichung zu berücksichtigen.

Dann verglich das Team die Modellvorhersage mit einem tatsächlichen SDSS-Datensatz und maß erfolgreich kosmologische Parameter mit hoher Präzision. Sie bestätigt als unabhängige Analyse, dass nur etwa 30 Prozent aller Energie aus Materie (hauptsächlich dunkler Materie) stammen und dass die restlichen 70 Prozent das Ergebnis dunkler Energie sind, die die beschleunigte Expansion des Universums verursacht. Es gelang ihnen auch, die Klumpigkeit der Materie in unserem Universum zu messen, während die herkömmliche Methode zur Analyse der 3D-Karten der Galaxie diese beiden Parameter nicht gleichzeitig bestimmen konnte.

Die Genauigkeit ihrer Parametermessung übertrifft die bisheriger Analysen von Galaxiendurchmusterungen. Diese Ergebnisse zeigen die Wirksamkeit des in dieser Studie entwickelten Emulators. Der nächste Schritt für das Forschungsteam wird darin bestehen, die Masse der Dunklen Materie und die Natur der Dunklen Energie weiter zu untersuchen, indem sie ihren Emulator auf Galaxienkarten anwenden, die vom Prime Focus Spectrograph erfasst werden, der sich in der Entwicklung befindet und von der Kavli IPMU geleitet wird montiert auf dem Subaru-Teleskop von NAOJ.

Bereitgestellt vom Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe