利用一種新穎的人工智慧驅動方法，研究人員透過分析星系分佈提高了估計關鍵宇宙學參數的精度。這項突破允許對暗物質和能量進行更精細的研究，對解決哈伯張力和其他宇宙奧秘具有重要意義。

宇宙的行為可以用六個關鍵數字來描述，這六個數字稱為宇宙學參數。 利用一種創新的人工智慧驅動方法，Flatiron 研究所的研究人員及其合作者發現了星系分佈中隱藏的訊息，從而可以非常精確地估算出其中的五個參數。

與傳統技術相比，他們的方法得出的結果要精確得多。 事實上，它將描述宇宙中物質團塊的參數的不確定性降低了一半以上。 由人工智慧驅動的估計值也與從其他宇宙現象（如宇宙中最古老的光線）中得出的數值非常吻合。

基於模擬的星系推理（Simulation-Based Inference of Galaxies，簡稱SimBIG）可以讓天文學家利用人工智慧技術更好地估計宇宙的關鍵屬性。 這段影片將模擬宇宙中的星系分佈（右）與真實宇宙中的星系分佈（左）進行了比較。 資料來源：Bruno Régaldo-Saint Blancard/SimBIG協作組

研究人員在最近的一系列論文中介紹了他們的方法，稱為基於模擬的星系推斷（SimBIG），其中包括8月21日發表在《自然-天文學》（Nature Astronomy）上的一項研究。

該研究的合著者、紐約市Flatiron研究所計算天體物理學中心（CCA）的小組負責人Shirley Ho說，在使用相同數據的同時對參數產生更嚴格的約束，對於研究從暗物質的組成到驅動宇宙分裂的暗能量的性質等一切問題都至關重要。 她說，隨著未來幾年新的宇宙勘測的上線，這一點尤其重要。

展示基於模擬的星系推斷（SimBIG）項目方法的資訊圖表。 圖片來源：Lucy Reading-Ikkanda/Simons 基金會

Ho 說：「每項勘測都耗資數億至數十億美元。這些測量之所以存在，主要是因為我們想更了解這些宇宙學參數。 因此，如果從非常實際的意義上考慮，這些參數每個都價值數千萬美元。

這六個宇宙學參數描述了宇宙中普通物質、暗物質和暗能量的數量，以及宇宙大爆炸之後的條件，例如新生宇宙在冷卻過程中的不透明性，以及宇宙中的質量是分散的還是大團的。 《自然-天文學》研究報告的合著者、中國科學院研究分析員利亞姆-帕克（Liam Parker）說，這些參數”本質上是宇宙的’設置’，決定了宇宙如何在最大尺度上運行”。

這張快照將模擬宇宙中的星系分佈（右）與真實宇宙中的星系分佈（左）進行了比較。 資料來源：Bruno Régaldo-Saint Blancard/SimBIG合作小組

宇宙學家計算參數最重要的方法之一是研究宇宙星系的聚集。 以前，這些分析只研究星系的大尺度分佈。

普林斯頓大學的副研究員、《自然-天文學》研究的第一作者ChangHoon Hahn說：”我們還無法深入到小尺度。幾年來，我們已經知道那裡還有額外的信息，只是沒有好的方法提取出來。 “

哈恩提出了一種利用人工智慧提取小規模資訊的方法。 他的計劃分為兩個階段。 首先，他和同事將訓練一個人工智慧模型，根據模擬宇宙的外觀來決定宇宙學參數的值。 然後，他們會向模型展示實際的星系分佈觀測結果。

Hahn、Ho、Parker和他們的同事訓練了他們的模型，向它展示了2000個盒狀宇宙，這些宇宙來自CCA開發的Quijote模擬套件，每個宇宙都使用了不同的宇宙學參數值。 研究人員甚至讓這2000個宇宙看起來像星系調查產生的數據–包括來自大氣層和望遠鏡本身的缺陷–以便給模型提供真實的練習。哈恩說：”這是一個很大的模擬數量，但也是一個可控的數量。”如果沒有機器學習，你將需要數十萬個模擬。 “

透過吸收模擬結果，該模型逐漸了解到宇宙學參數值如何與星系聚類的小尺度差異相關聯，例如單一星系對之間的距離。 SimBIG 也學會如何從宇宙星系的大畫面排列中提取訊息，方法是同時觀察三個或更多星系，並分析它們之間形成的形狀，例如拉伸的長三角形或等邊三角形。

模型訓練完成後，研究人員向它展示了重子振盪光譜巡天測量到的109636 個真實星系。 正如他們所希望的那樣，模型利用了數據中的小尺度和大尺度細節，提高了宇宙學參數估計的精確度。 這些估算非常精確，相當於使用大約四倍數量的星系進行的傳統分析。 Ho說，這一點非常重要，因為宇宙只有這麼多星系。 透過用更少的數據獲得更高的精度，SimbBIG 可以突破可能的極限。

這種精確性的一個令人興奮的應用將是被稱為哈伯張力的宇宙學危機。 哈伯常數描述了宇宙中萬物擴散的速度。

計算哈伯常數需要使用”宇宙尺”來估算宇宙的大小。 根據遙遠星系中被稱為超新星的爆炸恆星的距離進行估算，要比根據宇宙中最古老的光的波動間距進行的估算高出約10%。

未來幾年即將上線的新測量將捕捉到更多的宇宙歷史。 哈恩說，將這些勘測的數據與SimbBIG配對，將更好地揭示哈伯張力的程度，以及是否可以解決這種不匹配，或者是否有必要修改宇宙模型。他說：”如果我們能非常精確地測量出數量，並能堅定地說存在張力，那就能揭示有關暗能量和宇宙膨脹的新物理學。”

編譯自/ SciTechDaily