Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) ledde utvecklingen av en ny numerisk procedur för att reproducera det intergalaktiska mediet som erhållits från en kosmologisk simulering av 100 000 timmars beräkning med hjälp av big data och maskininlärningstekniker. Tack vare denna algoritm, kallad Hydro-BAM, har forskare kunnat utnyttja hierarkin i förhållandet mellan egenskaperna hos mörk materia, joniserad gas och intergalaktiskt neutralt väte, ingredienser som utgör den storskaliga strukturen i vårt universum.

Forskningen återgav med hög precision de så kallade Lyman-alfa-skogarna, ett mönster av linjer i spektra av avlägsna galaxer och kvasarer som produceras när ljuset som sänds ut av dessa objekt absorberas av moln av vätgas längs dess väg. Analysen av dessa skogar är grundläggande för att främja vår förståelse av universum som helhet. Studien har lett till publiceringen av två artiklar i The Astrophysical Journal .

Aktuella observationer tycks indikera att allt i vårt universum domineras av mörk materia och mörk energi, som är mycket rikligare än konventionell eller baryonisk materia. Baryonisk materia står för endast 5 % av universums hela massa. Däremot utgör mörk materia cirka 27% av kosmos. De återstående 68 % består av mörk energi, som inte bara är ansvarig för att universum expanderar, utan också för dess konstanta acceleration.

Den kosmologiska standardmodellen antar att universums organisation på dess största skalor beror på interaktionen mellan dessa ingredienser. I själva verket börjar nuvarande state-of-the-art numeriska simuleringar ge realistisk modellering av dessa processer. Ett stort antal osäkerheter kvarstår dock.

För att få tillförlitliga teoretiska förutsägelser måste forskare utföra stora uppsättningar av numeriska simuleringar som täcker en stor kosmologisk volym och är baserade på olika möjliga modeller som inkluderar alla relevanta fysiska processer. Dessa "virtuella universum" fungerar som testbäddar för studier av kosmologi. Simuleringarna är dock beräkningsmässigt dyra, och nuvarande datoranläggningar kan bara utforska små kosmiska volymer jämfört med de volymer som täcks av nuvarande och framtida observationskampanjer.

Big data och AI för att avkoda universum

Ett samarbete mellan ett team från Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC), ledd av Francisco-Shu Kitaura, och ett annat från Osaka University, ledd av Kentaro Nagamine, har utvecklat nya strategier som gör det möjligt att återskapa snabba, detaljerade beräkningsmodeller på universums bildande och utveckling.

"Vi gör en speciell ansträngning för att utveckla maskininlärningstekniker för att påskynda hela processen, spara beräkningskostnader och effektivt köra många av dessa simuleringar", säger Francesco Sinigaglia, en gemensam Ph.D. student vid University of La Laguna (Teneriffa, Spanien) och IAC och University of Padua (Italien), första författare till båda publikationerna.

Specifikt har IAC-teamet utvecklat en ny algoritm som heter Hydro-BAM, som kombinerar avancerade begrepp inom sannolikhetsteori, maskininlärning och kosmologi. Algoritmen producerar exakta förutsägelser på bara några tiotals sekunder som motsvarar de dyrare hydrodynamiska simuleringarna, som tar cirka 100 000 timmar på en superdator. "Algorithmen är ungefär 100 000 rader kod skriven på IAC som ett resultat av ansträngning av flera års arbete av ett fåtal forskare, ungefär samma antal som den första versionen av Photoshop", konstaterar Francisco-Shu Kitaura, forskare vid IAC.

"Målet med dessa studier är att förfina vår förståelse av universums storskaliga struktur och att härleda information om dess utveckling över kosmisk tid genom att modellera och observera baryoniska storheter", säger Andrés Balaguera Antolínez, IAC-forskare och en av de främsta utvecklare av Hydro-BAM-koden. "Våra metoder syftar till att reproducera det observerade universum genom en detaljerad utvärdering av de olika och komplexa statistiska kopplingarna mellan den tredimensionella fördelningen av mörk materia och synlig materia som galaxer och intergalaktisk gas."

Gasträd som avslöjar den kosmiska skogen

Med hjälp av denna nya beräkningsmetod tog forskarna upp kopplingen till det observerbara universum. "Vi har utfört en uttömmande efterbearbetningsanalys av våra hydrodynamiska simuleringar genom att sätta miljontals virtuella observatörer för att modellera Lyman-alfa-skogen som observerats i absorptionen av kvasarsiktlinjer", beskriver Ikkoh Shimuzu, tidigare vid Osaka University (nu vid Shikoku) Gakuin University).

Detta mönster skapas när "träd" av vätgas, utspridda över hela universum, absorberar ljuset som sänds ut av dessa avlägsna objekt. På så sätt kan forskare se distinkta absorptionslinjer som motsvarar moln på olika avstånd och därmed visar olika åldrar av universum, samt ge information om det intergalaktiska mediet.

"Genombrottet kom när vi förstod att sambanden mellan mängderna intergalaktisk gas, mörk materia och neutralt väte som vi försökte modellera är välorganiserade på ett hierarkiskt sätt", säger Sinigaglia. "Den joniserade gasen har en fördelning i rymden mycket lik den för mörk materia och det neutrala vätet bestäms av fördelningen av den joniserade gasen; dessutom ger den gemensamma fördelningen av den joniserade gasen och neutralt väte oss information om det termiska tillståndet av gasen och låter oss förutsäga absorptionsflödet av Lyman-alfaskogen", avslutar han.

"Våra uppsatser inom detta område har en stor inverkan på det vetenskapliga samfundet och vi har blivit kontaktade av världsklassgrupper", säger Kitaura. Trots deras framgång säger författarna att forskningen bara har börjat, och planerar att producera tusentals simulerade universum inklusive baryonisk fysik, vilket borde möjliggöra en omfattande analys av data från galaxundersökningar som DESI, WEAVE-JPAS och Subaru PFS-projektet. I synnerhet kommer resultatet av denna forskning att tillåta forskare att utföra en oöverträffad analys av massiva Lyman-alfa-skogsdatauppsättningar, vilket gör att vi kan ta itu med de möjliga spänningarna hos kosmologiska modeller som erhållits från olika observationssonder. + Utforska vidare

Förstå det "mörka" universum och urgalaxbildningen