Künstliche Intelligenz um die Struktur des Universums vorherzusagen

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Ein Beispiel für das virtuelle Universum, das mit dem Supercomputer „ATERUI II“ erstellt wurde. Es zeigt die Verteilung von ungefähr 10 Milliarden Teilchen in einem Volumen, das ungefähr 4,9 Milliarden Lichtjahre umfasst und sich bis heute entwickelt hat. Bei Verwendung von 800 CPU-Kernen in „ATERUI II“ dauert es ungefähr 2 Tage. Bildnachweis: YITP

Der Ursprung der Entstehung von Hohlräumen und Filamenten im Universum kann jetzt innerhalb von Sekunden untersucht werden, nachdem Forscher ein künstliches Intelligenzwerkzeug namens Dark Emulator entwickelt haben.

Fortschritte bei Teleskopen haben es Forschern ermöglicht, das Universum genauer zu untersuchen und ein kosmologisches Standardmodell zu etablieren, das verschiedene Beobachtungsfaktoren gleichzeitig erklärt. Aber es gibt viele Dinge, die Forscher immer noch nicht verstehen. Bemerkenswerterweise besteht der Großteil des Universums aus dunkler Materie und dunkler Energie, von denen niemand in der Lage war, ihre Natur zu identifizieren. Ein vielversprechender Weg, um diese Rätsel zu lösen, ist die Struktur des Universums. Das heutige Universum besteht aus Filamenten, in denen sich Galaxien zusammenballen und wie weit entfernte Fäden aussehen, und Hohlräumen, in denen scheinbar nichts zu sein scheint. Die Entdeckung des kosmischen Mikrowellenhintergrunds hat Forschern einen Schnappschuss von der Entstehung des Universums gegeben.

Ein Forscherteam, darunter das Yukawa-Institut für theoretische Physik der Kyoto-Universität, Professor Takahiro Nishimichi, und Kavli-Institut für Physik und Mathematik des Universums (Kavli IPMU), der leitende Forscher Masahiro Takada, verwendeten die weltweit schnellsten Supercomputer für astrophysikalische Simulation ATERUI und ATERUI II um den Dark Emulator zu entwickeln. Die Verwendung des Emulators anhand von Daten, die in mehreren der weltweit größten Beobachtungsstudien erfasst wurden, ermöglicht es Forschern, Möglichkeiten zu untersuchen, die den Ursprung kosmischer Strukturen betreffen und wie sich die Verteilung der dunklen Materie im Laufe der Zeit verändert haben könnte.

„Mit einem Supercomputer haben wir eine außergewöhnlich große Datenbank erstellt, die wir in drei Jahren fertiggestellt haben. Jetzt können wir sie auf einem Laptop in Sekundenschnelle neu erstellen. In der Datenwissenschaft sehe ich ein großes Potenzial. Mit diesem Ergebnis hoffe ich, dass es uns gelingt, das größte Rätsel der modernen Physik aufzudecken, nämlich herauszufinden, was dunkle Energie ist. Ich denke auch, dass diese Methode, die wir entwickelt haben, in anderen Bereichen wie den Natur- oder Sozialwissenschaften nützlich sein wird “, sagt der Hauptautor Nishimichi.

In diesem Tool wird ein Aspekt der künstlichen Intelligenz verwendet, der als maschinelles Lernen bezeichnet wird. ATERUI und ATERUI II haben durch die Änderung mehrerer wichtiger Eigenschaften des Universums, wie der Dunklen Materie und der Dunklen Energie, Hunderte virtueller Universen geschaffen. Dark Emulator lernt aus den Daten und schätzt die Ergebnisse für neue Merkmalssätze, ohne jedes Mal ganz neue Simulationen erstellen zu müssen. Beim Testen des resultierenden Werkzeugs mit realen Vermessungen konnte es schwache Gravitationslinseneffekte in der Hyper Suprime-Cam-Vermessung zusammen mit den im Sloan Digital Sky Survey aufgezeichneten dreidimensionalen Galaxienverteilungsmustern mit einer Genauigkeit von 2 bis 3 Promille erfolgreich vorhersagen. In Sekundenschnelle und mit hundertprozentiger Genauigkeit. Im Vergleich dazu würde es mehrere Tage dauern, Simulationen einzeln über einen Supercomputer ohne KI auszuführen.

Die Forscher hoffen, ihr Tool unter Verwendung von Daten aus bevorstehenden Umfragen in den 2020er Jahren anwenden zu können, um eingehendere Studien zum Ursprung des Universums zu ermöglichen.

Details zu ihrer Studie wurden am 8. Oktober 2019 im Astrophysical Journal veröffentlicht.
(Pressemitteilung vom 5. Februar 2020)

 

Quelle: https://www.cfca.nao.ac.jp/en/pr/20200205

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