Algorithme simulerer universets intergalaktiske medium

Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) ledede udviklingen af ​​en ny numerisk procedure til at reproducere det intergalaktiske medium opnået fra en kosmologisk simulering af 100.000 timers beregning ved hjælp af big data og maskinlæringsteknikker. Takket være denne algoritme, kaldet Hydro-BAM, har forskere været i stand til at udnytte hierarkiet i forholdet mellem egenskaberne af mørkt stof, ioniseret gas og intergalaktisk neutralt brint, ingredienser, der udgør den store struktur i vores univers.

Forskningen gengav med høj præcision de såkaldte Lyman-alfa-skove, et mønster af linjer i spektrene af fjerne galakser og kvasarer, der frembringes, når lyset, der udsendes af disse objekter, absorberes af skyer af brintgas langs dens vej. Analysen af ​​disse skove er fundamental for at fremme vores forståelse af universet som helhed. Undersøgelsen har ført til offentliggørelsen af ​​to artikler i The Astrophysical Journal .

Aktuelle observationer synes at indikere, at alt i vores univers er domineret af mørkt stof og mørk energi, som er meget mere rigeligt end konventionelt eller baryonisk stof. Baryonisk stof udgør kun 5% af hele universets masse. I modsætning hertil udgør mørkt stof cirka 27% af kosmos. De resterende 68 % er sammensat af mørk energi, som ikke kun er ansvarlig for universets ekspansion, men også for dets konstante acceleration.

Den kosmologiske standardmodel antager, at universets organisation på dets største skalaer afhænger af vekselvirkningen mellem disse ingredienser. Faktisk begynder nuværende state-of-the-art numeriske simuleringer at give realistisk modellering af disse processer. Der er dog stadig en lang række usikkerheder.

For at opnå pålidelige teoretiske forudsigelser skal videnskabsmænd udføre store sæt numeriske simuleringer, der dækker et stort kosmologisk volumen og er baseret på forskellige mulige modeller, der inkluderer alle relevante fysiske processer. Disse "virtuelle universer" tjener som testleje til studiet af kosmologi. Simuleringerne er dog beregningsmæssigt dyre, og nuværende computerfaciliteter kan kun udforske små kosmiske volumener sammenlignet med de mængder, der er dækket af nuværende og fremtidige observationskampagner.

Big data og AI til at afkode universet

Et samarbejde mellem et team fra Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC), ledet af Francisco-Shu Kitaura, og et andet fra Osaka University, ledet af Kentaro Nagamine, har udviklet nye strategier, der gør det muligt at genskabe hurtige, detaljerede beregningsmodeller på universets dannelse og udvikling.

"Vi gør en særlig indsats for at udvikle maskinlæringsteknikker for at fremskynde hele processen, spare beregningsomkostninger og effektivt køre mange af disse simuleringer," siger Francesco Sinigaglia, en fælles ph.d. studerende ved University of La Laguna (Tenerife, Spanien) og IAC og University of Padua (Italien), første forfatter til begge publikationer.

Specifikt har IAC-teamet udviklet en ny algoritme kaldet Hydro-BAM, som kombinerer avancerede begreber inden for sandsynlighedsteori, maskinlæring og kosmologi. Algoritmen producerer nøjagtige forudsigelser på blot et par ti sekunder, der svarer til de dyrere hydrodynamiske simuleringer, som tager cirka 100.000 timer på en supercomputer. "Algoritmen er omkring 100.000 linjer kode skrevet på IAC, som er et resultat af mange års arbejde fra nogle få forskere, omtrent det samme antal som den første version af Photoshop," bemærker Francisco-Shu Kitaura, forsker ved IAC.

"Målet med disse undersøgelser er at forfine vores forståelse af universets struktur i stor skala og at udlede information om dets udvikling over kosmisk tid ved at modellere og observere baryoniske størrelser," siger Andrés Balaguera Antolínez, IAC-forsker og en af ​​de vigtigste udviklere af Hydro-BAM-koden. "Vores metoder sigter mod at reproducere det observerede univers gennem en detaljeret evaluering af de forskellige og komplekse statistiske forbindelser mellem den tredimensionelle fordeling af mørkt stof og synligt stof såsom galakser og intergalaktisk gas."

Gastræer afslører den kosmiske skov

Ved hjælp af denne nye beregningsprocedure adresserede forskerne forbindelsen til det observerbare univers. "Vi har udført en udtømmende efterbehandlingsanalyse af vores hydrodynamiske simuleringer ved at sætte millioner af virtuelle observatører til at modellere Lyman-alfa-skoven observeret i absorptionen af ​​kvasar-sigtelinjer," beskriver Ikkoh Shimuzu, tidligere fra Osaka University (nu ved Shikoku) Gakuin University).

Dette mønster frembringes, når "træer" af brintgas, spredt over hele universet, absorberer det lys, der udsendes af disse fjerne objekter. På denne måde kan forskerne se distinkte absorptionslinjer svarende til skyer i forskellige afstande og dermed vise universets forskellige aldre, samt give information om det intergalaktiske medium.

"Gennembruddet kom, da vi forstod, at forbindelserne mellem mængderne af intergalaktisk gas, mørkt stof og neutralt brint, som vi forsøgte at modellere, er godt organiseret på en hierarkisk måde," siger Sinigaglia. "Den ioniserede gas har en fordeling i rummet meget lig den for det mørke stof, og den neutrale brint bestemmes af fordelingen af ​​den ioniserede gas; desuden giver den fælles fordeling af den ioniserede gas og neutral brint os oplysninger om den termiske tilstand af gassen og giver os mulighed for at forudsige absorptionsfluxen af ​​Lyman-alpha-skoven," slutter han.

"Vores artikler på dette område har en stor indflydelse på det videnskabelige samfund, og vi er blevet kontaktet af verdensklassegrupper," siger Kitaura. På trods af deres succes siger forfatterne, at forskningen lige er begyndt, og planlægger at producere tusindvis af simulerede universer inklusive baryonisk fysik, som skulle tillade en omfattende analyse af data fra galakseundersøgelser såsom DESI, WEAVE-JPAS og Subaru PFS-projektet. Især vil resultatet af denne forskning gøre det muligt for forskere at udføre en hidtil uset analyse af massive Lyman-alpha-skovdatasæt, som giver os mulighed for at adressere de mulige spændinger i kosmologiske modeller opnået fra forskellige observationsprober. + Udforsk yderligere

Forståelse af det 'mørke' univers og den oprindelige galaksedannelse