Pochodzenie obserwowanych dziś we Wszechświecie pustek i włókien można już badać w ciągu kilku sekund dzięki nowo opracowanemu przez naukowców narzędziu opartemu na sztucznej inteligencji.
Zaawansowane narzędzia obserwacyjne umożliwiły badanie Wszechświata z większą niż dawniej szczegółowością i opracowanie tzw. standardowego modelu kosmologicznego, który wyjaśnia różne fakty i obserwacje jednocześnie. Naukowcy wciąż jednak nie rozumieją wielu rzeczy – np. tego, czym właściwie jest ciemna materia, stanowiąca większość kosmosu. Obiecującą drogą do rozwiązania jej zagadek jest badanie wielkoskalowej struktury Wszechświata. Współczesny kosmos składa się z włókien, w których liczne galaktyki gromadzą się w czymś na kształt gigantycznych nici. Poza nimi są w nim też jednak pustki o bardzo niewielkiej gęstości galaktyk. Odkrycie kosmicznego promieniowania tła dało badaczom pewne pojęcie o tym, jak Wszechświat wyglądał na początku swego istnienia. Wielu sądzi, że to właśnie zrozumienie, w jaki sposób jego pierwotna struktura ewoluowała do tego, czym jest on dzisiaj, ujawni przed nami ważne fakty na temat ciemnej materii i ciemnej energii.
Zespół naukowy kierowany przez profesora Takahiro Nishimichi z Kyoto University Yukawa Institute for Theoretical Physics wykorzystał najszybszą jak dotąd na świecie astrofizyczną symulację z użyciem superkomputerów ATERUI i ATERUI II do opracowania narzędzia Dark Emulator. Pozwala ono badać rozmaite możliwości powstawania struktur kosmicznych oraz tego, jak rozkład ciemnej materii mógł się zmieniać w czasie podczas ewolucji kosmosu.
Na ilustracji: przykład wirtualnego Wszechświata stworzonego przez superkomputer ATERUI II. Widoczny jest tu rozkład około 10 miliardów cząstek w objętości obejmującej 4,9 miliarda lat świetlnych, która ewoluuje aż do dziś. Symulacja wykorzystywała 800 rdzeni procesora komputera ATERUI II, a jej opracowanie zajęło mu dwa dni. Źródło: YITP.
Zbudowaliśmy niezwykle dużą bazę danych przy użyciu superkomputera. Zajęło nam to trzy lata, ale teraz możemy odtworzyć ją na laptopie w ciągu kilku sekund. Wydaje mi się, że duży potencjał kryje się właśnie w data science. Mam nadzieję, że uda nam się odkryć największą tajemnicę współczesnej fizyki, jaką jest natura ciemnej energii. Myślę też, że opracowana przez nas metoda będzie przydatna w innych dziedzinach, takich jak nauki przyrodnicze czy społeczne – mówi Nishimichi.
Dark Emulator wykorzystuje sztuczną inteligencję, a konkretniej – uczenie maszynowe. Manipulując wartościami kilku ważnych parametrów Wszechświata, takich jak na przykład właśnie zawartość ciemnej materii i energii, ATERUI i ATERUI II stworzyły setki wirtualnych Wszechświatów. Dark Emulator uczy się następnie na otrzymanych w ten sposób danych, porównuje je z danymi obserwacyjnymi dotyczącymi kosmosu, i na ich podstawie ocenia wyniki nowych zestawów otrzymywanych parametrów sztucznych Wszechświatów – bez konieczności tworzenia za każdym razem całkowicie nowych symulacji.
Podczas testów tego nowo powstałego narzędzia udało się z powodzeniem przewidzieć słabe efekty soczewkowania grawitacyjnego widoczne w przeglądzie Hyper Suprime-Cam, a także trójwymiarowy rozkład galaktyk zarejestrowany w ramach słynnego już przeglądu nieba Sloan Digital Sky Survey, z dokładnością 2–3% – a wszystko to w zaledwie kilka sekund. Dla porównania, przeprowadzenie podobnej symulacji przez jeden tylko superkomputer bez pomocy sztucznej inteligencji zajmuje dziś naukowcom kilka dni.
Naukowcy mają nadzieję, że zastosowanie Dark Emulatora do nowych zestawów danych z nadchodzących dopiero nowej generacji teleskopów umożliwi jeszcze głębsze zrozumienie natury i początków Wszechświata.
Czytaj więcej:
- Dark Quest. I. Fast and Accurate Emulation of Halo Clustering Statistics and Its Application to Galaxy Clustering, Takahiro Nishimichi et al., Astrophysical Journal, 8 X, 2019
- Cały artykuł
- Naukowcy z Krakowa opracowali nową metodę konstruowania niejednorodnych modeli kosmologicznych
Źródło: CFCA
Opracowanie: Elżbieta Kuligowska
Na ilustracji powyżej: Sposób, w jaki galaktyki gromadzą się we Wszechświecie, pokazany jest na tym obrazie kosmosu stworzonym z pomocą danych przeglądu optycznego Sloan Digital Sky Survey (SDSS). Żółte kropki oznaczają pozycję poszczególnych galaktyk, podczas gdy pomarańczowa pętla pokazuje obszar Wszechświata obejmujący miliard lat świetlnych. W centrum znajduje się Ziemia, a wokół niej – trójwymiarowa mapa rozkładu różnych galaktyk. Widać wyraźnie, że galaktyki i ich gromady nie są równomiernie rozmieszczone w całym Wszechświecie i łącząc się, tworzą obszary zwane włóknami. Źródło: Tsunehiko Kato, ARC, SDSS, NAOJ Four-Dimensional Digital Universe Project
