Wie viel wiegt dieser Galaxienhaufen?

Es ist fast ein Jahrhundert her, seit der Astronom Fritz Zwicky zum ersten Mal die Masse des Coma-Haufens berechnet hat, einer dichten Ansammlung von fast 1.000 Galaxien im nahen Universum. Aber die Masse von etwas so Riesigem und Dichtem abzuschätzen, ganz zu schweigen von 320 Millionen Lichtjahren Entfernung, hat seinen Anteil an Problemen – damals wie heute. Zwickys anfängliche Messungen und die vielen seitdem durchgeführten sind von Fehlerquellen geplagt, die die Masse nach oben oder unten verzerren.

Nun hat ein Team unter der Leitung von Physikern der Carnegie Mellon University mithilfe von Werkzeugen aus dem maschinellen Lernen eine Deep-Learning-Methode entwickelt, die die Masse des Coma-Clusters genau abschätzt und die Fehlerquellen effektiv entschärft.

„Die Menschen haben viele, viele Jahre Massenschätzungen des Coma-Clusters vorgenommen. Aber indem wir zeigen, dass unsere maschinellen Lernmethoden mit diesen früheren Massenschätzungen übereinstimmen, bauen wir Vertrauen in diese neuen, sehr leistungsfähigen Methoden auf, die auf dem Gebiet heiß begehrt sind der Kosmologie“, sagte Matthew Ho, ein Doktorand im fünften Jahr am McWilliams Center for Cosmology des Department of Physics und Mitglied des NSF AI Planning Institute for Physics of the Future von Carnegie Mellon.

Methoden des maschinellen Lernens werden in einer Vielzahl von Bereichen erfolgreich eingesetzt, um Muster in komplexen Daten zu finden, aber sie haben erst in den letzten zehn Jahren in der Kosmologieforschung Fuß gefasst. Für einige Forscher auf diesem Gebiet sind diese Methoden mit großer Sorge verbunden: Da es schwierig ist, die inneren Abläufe eines komplexen maschinellen Lernmodells zu verstehen, kann man ihnen vertrauen, dass sie das tun, wofür sie entwickelt wurden? Ho und seine Kollegen haben sich vorgenommen, diese Vorbehalte mit ihren neuesten Forschungsergebnissen auszuräumen, die in veröffentlicht wurden Naturastronomie.

Um die Masse des Coma-Clusters zu berechnen, verwendeten Zwicky und andere eine dynamische Massenmessung, bei der sie die Bewegung oder Geschwindigkeit von Objekten untersuchten, die in und um den Cluster herum kreisen, und dann ihr Verständnis der Schwerkraft nutzten, um auf die Masse des Clusters zu schließen. Diese Messung ist jedoch anfällig für eine Vielzahl von Fehlern. Galaxienhaufen existieren als Knoten in einem riesigen Materienetz, das über das Universum verteilt ist, und sie kollidieren und verschmelzen ständig miteinander, was das Geschwindigkeitsprofil der einzelnen Galaxien verzerrt. Und weil Astronomen den Haufen aus großer Entfernung beobachten, gibt es viele andere Dinge dazwischen, die aussehen und sich so verhalten können, als wären sie Teil des Galaxienhaufens, was die Massenmessung verfälschen kann. Die jüngste Forschung hat Fortschritte bei der Quantifizierung und Berücksichtigung der Auswirkungen dieser Fehler gemacht, aber auf maschinellem Lernen basierende Methoden bieten laut Ho einen innovativen datengesteuerten Ansatz.

„Unsere Deep-Learning-Methode lernt aus realen Daten, was nützliche Messungen sind und was nicht“, sagte Ho und fügte hinzu, dass ihre Methode Fehler durch ineinandergreifende Galaxien (Auswahleffekte) eliminiert und verschiedene Galaxienformen berücksichtigt (physikalische Effekte). „Der Einsatz dieser datengesteuerten Methoden macht unsere Vorhersagen besser und automatisiert.“

„Einer der größten Mängel bei Standardansätzen für maschinelles Lernen besteht darin, dass sie normalerweise Ergebnisse ohne Unsicherheiten liefern“, fügte Hy Trac, Associate Professor of Physics, Hos Berater, hinzu. „Unsere Methode beinhaltet robuste Bayes’sche Statistiken, die es uns ermöglichen, die Unsicherheit in unseren Ergebnissen zu quantifizieren.“

Ho und seine Kollegen entwickelten ihre neuartige Methode, indem sie ein bekanntes maschinelles Lernwerkzeug namens Convolutional Neural Network anpassten, das eine Art Deep-Learning-Algorithmus ist, der bei der Bilderkennung verwendet wird. Die Forscher trainierten ihr Modell, indem sie es mit Daten aus kosmologischen Simulationen des Universums fütterten. Das Modell lernte, indem es die beobachtbaren Eigenschaften von Tausenden von Galaxienhaufen betrachtete, deren Masse bereits bekannt ist. Nach eingehender Analyse der Handhabung der Simulationsdaten durch das Modell wendete Ho es auf ein reales System an – den Coma Cluster – dessen wahre Masse nicht bekannt ist. Die Methode von Ho berechnete eine Massenschätzung, die mit den meisten Massenschätzungen übereinstimmt, die seit den 1980er Jahren vorgenommen wurden. Dies ist das erste Mal, dass diese spezifische maschinelle Lernmethode auf ein Beobachtungssystem angewendet wurde.

„Um die Zuverlässigkeit von Modellen für maschinelles Lernen aufzubauen, ist es wichtig, die Vorhersagen des Modells auf gut untersuchten Systemen wie Coma zu validieren“, sagte Ho. „Wir führen derzeit eine strengere, umfassendere Überprüfung unserer Methode durch. Die vielversprechenden Ergebnisse sind ein starker Schritt in Richtung Anwendung unserer Methode auf neue, nicht untersuchte Daten.“

Modelle wie diese werden für die Zukunft von entscheidender Bedeutung sein, insbesondere wenn groß angelegte spektroskopische Untersuchungen wie das Dark Energy Spectroscopic Instrument, das Vera C. Rubin Observatory und Euclid beginnen, die riesigen Datenmengen freizugeben, die sie vom Himmel sammeln .

„Bald werden wir einen Datenfluss im Petabyte-Maßstab haben“, erklärte Ho. „Das ist riesig. Es ist für Menschen unmöglich, das von Hand zu analysieren. Während wir daran arbeiten, Modelle zu bauen, die robuste Schätzer von Dingen wie der Masse sein und gleichzeitig Fehlerquellen mindern können, ist ein weiterer wichtiger Aspekt, dass sie recheneffizient sein müssen, wenn wir es sind Diesen enormen Datenfluss aus diesen neuen Umfragen werden wir verarbeiten. Und genau das versuchen wir anzugehen – indem wir maschinelles Lernen nutzen, um unsere Analysen zu verbessern und schneller zu machen.“