Ar putea aceeași tehnologie cu care este obișnuită debloca smartphone-urile oamenilor ajuta și la dezvăluirea secretelor universului? Poate părea puțin probabil, dar exact asta lucrează cercetătorii de la universitatea Elvețiană, axată pe știință și tehnologie, ETH Zurich.
Cuprins
- Materia întunecată contează
- Lentile gravitaționale slabe pentru salvare
- Extragerea parametrilor cosmologici
- Un I.A. cosmologic.
Folosind o variație a tipului de rețea neuronală de inteligență artificială din spatele recunoașterii faciale de astăzi tehnologie, au dezvoltat noi A.I. instrumente care s-ar putea dovedi un schimbător de joc în descoperirea așa-numitelor “materie întunecată.” Fizicienii cred că înțelegerea acestei substanțe misterioase este necesară pentru a explica întrebări fundamentale despre structura de bază a universului.
Videoclipuri recomandate
„Algoritmul pe care [folosim] este foarte aproape de ceea ce este folosit în mod obișnuit în recunoașterea facială”, Janis Fluri, un doctorat. student care lucrează într-un laborator ETH Zurich s-a concentrat pe aplicarea rețelelor neuronale la probleme cosmologice, a spus Digital Trends. „Frumusețea A.I. este că poate învăța practic din orice date. În recunoașterea facială, învață să recunoască ochii, gura și nasul, în timp ce noi căutăm structuri care ne oferă indicii despre materia întunecată. Această recunoaștere a modelelor este în esență nucleul algoritmului. În cele din urmă, l-am adaptat doar pentru a deduce parametrii cosmologici de bază.”
Materia întunecată contează
Dar ce anume caută cercetătorii? Momentan, nu este pe deplin cunoscut. Dar, după cum a declarat în mod memorabil judecătorul Curții Supreme a Statelor Unite, Potter Stewart despre obscenitate, „Știu asta când o văd”. Sau, mai degrabă, nu vom face - pentru că nu poate fi văzut. Dar oamenii de știință o vor ști odată ce l-au găsit. Bun venit în lumea ciudată a materiei întunecate.
Existența materiei întunecate într-o anumită formă a fost emisă ipoteza de mai bine de un secol. Se crede că reprezintă aproximativ 27% din univers, depășind materia vizibilă cu un raport de aproximativ șase la unu. Tot ce putem detecta în univers - toată materia atomică care alcătuiește galaxiile, stelele, planetele, viața pe Pământ, dispozitivul pe care citiți acest articol - este doar o mică, mică parte din toată materia care există. Cea mai mare parte a acesteia nu poate fi urmărită direct. Este invizibil și poate trece direct prin materia vizibilă obișnuită.
În schimb, existența sa se bazează pe observațiile noastre despre modul în care funcționează universul; ca un coleg de casă pe care nu-l vezi niciodată, dar ești sigur că există pentru că jumătate din facturi sunt plătite și cineva folosește ocazional dușul când vrei tu. Numai în acest caz, pentru că oamenii de știință au descoperit că viteza cu care se rotesc galaxiile este suficient de rapid încât să nu poată fi ținute împreună doar de gravitația generată de observabil materie. Prin urmare, se consideră că materia întunecată este ingredientele secrete care conferă acestor galaxii masa suplimentară de care au nevoie pentru a nu se rupe ca o pungă de hârtie sinucigașă. Este ceea ce determină materia normală sub formă de praf și gaz să se colecteze și să se adune în stele și galaxii.
Lentile gravitaționale slabe pentru salvare
Să cauți ceva ce nu poate fi privit sună dificil. Este. Dar există o modalitate prin care oamenii de știință sunt capabili să identifice unde cred că este cel mai probabil să fie situată materia întunecată. Ei fac acest lucru uitându-se la modurile subtile în care lumina în care gravitația marilor grupuri de galaxii îndoaie și distorsionează lumina din galaxiile mai îndepărtate. Aceasta se numește lentilă gravitațională slabă.
Observarea zonelor din jurul clusterelor masive de galaxii le permite astronomilor să identifice galaxiile de fundal care par deformate. Prin inginerie inversă a acestor distorsiuni, ei pot apoi izola acolo unde cred că pot fi găsite cele mai dense concentrații de materie, atât vizibile, cât și invizibile. Gândiți-vă la asta ca la efectul de miraj care face ca imaginile îndepărtate să fie neclare și strălucitoare într-o zi fierbinte - doar mult mai departe.
„Anterior, se studia hărțile cu masa slabă a lentilelor selectând manual caracteristicile relevante”, a explicat Janis Fluri. „Aceasta este o sarcină foarte complicată și nu există garanții că caracteristicile selectate conțin toate informațiile relevante. Rezolvăm această problemă cu A.I. abordare. Rețelele neuronale convoluționale utilizate în munca noastră excelează la recunoașterea modelelor.”
O rețea neuronală convoluțională este un tip de inteligență artificială inspirată de creier, care este frecvent utilizată pentru sarcini de clasificare a imaginilor. În timp ce neuronii săi încă mai au ponderile învățate și părtinirile rețelelor neuronale convenționale (adică lucrurile care îi permit să învață), presupunerea sa explicită că are de-a face cu imagini ca intrări permit creatorilor săi să reducă numărul de parametri din reţea. Acest lucru îl face mai eficient.
„Aceasta a fost prima aplicație a A.I. pentru date cosmologice reale, inclusiv toate aspectele practice care vin cu ele.”
„În linii mari, [funcționează de către noi, furnizând rețelelor] o cantitate mare de date, acestea creează automat un set de filtre complexe pentru a extrage informațiile relevante ale hărților.” Dr. Tomasz Kacprzak, unul dintre ceilalți coautori ai proiectului, a declarat pentru Digital Trends. „Apoi încearcă să combine în mod optim aceste filtre pentru a oferi un răspuns cât mai precis posibil.”
Extragerea parametrilor cosmologici
Cercetătorii și-au antrenat rețeaua neuronală alimentând-o cu date generate de computer care simulează universul. Acest lucru ia permis să analizeze în mod repetat hărțile materiei întunecate, astfel încât să poată extrage „parametri cosmologici” din imaginile reale ale cerului nopții. Rezultatele au arătat îmbunătățiri de 30% față de metodele tradiționale, bazate pe analize statistice realizate de om.
„A.I. algoritmul are nevoie de multe date pentru a învăța în faza de antrenament”, a continuat Fluri. „Este foarte important ca aceste date de antrenament, în cazul nostru simulările, să fie cât mai exacte posibil. În caz contrar, va învăța caracteristici care nu sunt prezente în datele reale. Pentru a face acest lucru, a trebuit să generăm o mulțime de simulări mari și precise, ceea ce a fost foarte dificil. Ulterior, a trebuit să modificăm algoritmul pentru a obține performanțe de vârf. Acest lucru a fost realizat prin testarea mai multor arhitecturi de rețea pentru a optimiza performanța.”
Apoi au folosit rețeaua lor neuronală complet antrenată pentru a analiza hărțile reale ale materiei întunecate. Acestea au venit de la așa-numitele Setul de date KiDS-450, realizat cu ajutorul telescopului VLT Survey Telescope (VST) din Chile. Setul de date acoperă o suprafață totală de aproximativ 2.200 de ori dimensiunea lunii pline. Conține înregistrări de aproximativ 15 milioane de galaxii.
Din cauza acestei cantități extraordinar de mare de date, cercetătorii aveau nevoie de un supercomputer pentru a-și pune inteligența artificială în acțiune. În cele din urmă și-au condus I.A. pe un computer de la Centrul Național de Supercomputing Elvețian din Lugano, un oraș din sudul Elveției care se învecinează cu Italia. Supercalculatoarele de la CSCS sunt disponibile pentru toate universitățile și instituțiile de cercetare elvețiene. Mașinile sale sunt atât de puternice încât, pentru a le opri supraîncălzirea, apa din Lacul Lugano din apropiere este pompat pentru răcire cu o viteză de 460 litri pe secundă.
Un I.A. cosmologic.
„Aceasta a fost prima aplicație a A.I. pentru date cosmologice reale, inclusiv toate aspectele practice care vin cu ele”, a spus Fluri. „Am putea arăta că metoda noastră produce rezultate consistente pe un set de date relativ mic. Sperăm să folosim aceeași metodă pentru observații mai mari, dar și măsurarea mai multor parametri cosmologici pentru a sonda alte aspecte ale fizicii cosmologice. În cele din urmă, sperăm să aflăm noi perspective despre [sectorul întunecat al universului”.
Potrivit Fluri, echipa a trecut acum dincolo de setul de date KiDS-450, „deoarece există seturi de date mai noi și mai bune acum”. Unul în special este Sondajul Energiei Întunecate, un sondaj masiv la scară vizibilă și în infraroșu apropiat, realizat de instituții de cercetare și universități din SUA, Brazilia, Regatul Unit, Germania, Spania și Elveția.
„Înainte de a putea analiza noi seturi de date, totuși, trebuie să adaptăm metoda astfel încât să poată gestiona volumul crescut de date”, a spus Fluri. „În prezent experimentăm câteva metode pentru a realiza acest lucru. După aceea, vom discuta despre următorul set de date pe care dorim să-l analizăm. Nu vă pot oferi încă un interval de timp, deoarece depinde de setul de date ales și de cerințele simulărilor.”
O lucrare care descrie lucrarea a fost publicat recent în revista Physical Review D.
Recomandările editorilor
- Cercetătorii vor să folosească undele gravitaționale pentru a afla despre materia întunecată
- Cum să urmărești lansarea telescopului Euclid pentru materia întunecată sâmbătă
- Atingerea finală: modul în care oamenii de știință le oferă roboților simțuri tactile asemănătoare oamenilor
- Hubble captează un grup gigant de galaxii care ne-ar putea ajuta să înțelegem materia întunecată
- Ar putea fi formate găuri negre supermasive din materia întunecată?
