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暗能量望远镜使我们能够通过新的透镜看到宇宙

暗能量望远镜使我们能够通过新的透镜看到宇宙

为暗能量望远镜项目收集的图像揭示了数百个新的引力透镜候选者。

就像宇宙中更深奥的奥秘的水晶球一样,星系和其他巨大的空间物体可以作为透镜,以同样的方式折射出更遥远的物体和现象,以启示性的方式弯曲光线。

引力透镜效应最初是由阿尔伯特·爱因斯坦在100多年前提出的理论,用来描述光在经过像星系和星系团这样的大质量物体时是如何弯曲的。

透镜效应通常被描述为弱或强,透镜的强度与物体的位置、质量和离透镜光源的距离有关。强透镜的质量可能是太阳的1000亿倍,导致来自相同路径的更遥远物体的光被放大和分裂,例如,形成多幅图像,或者以引人注目的弧线或环的形式出现。

强引力透镜的主要局限在于它们的稀缺性,自1979年首次观测以来,只有几百个强引力透镜得到了证实,但这种情况正在发生变化。和快速。

一个由国际科学家组成的团队对美国亚利桑那州能源部支持的望远镜项目“暗能量分光仪”(DESI)的数据进行了深入研究,发现335个新的强透镜候选者。这项研究于2020年5月7日发表在《天体物理学》杂志上,得益于在国际科学竞赛中获胜的机器学习算法。

发现这些天体就像发现星系大小的望远镜一样困难。参与这项研究的劳伦斯·伯克利国家实验室(伯克利实验室)物理部的资深科学家大卫·施莱格尔说。它们是对暗物质和暗能量的有力探索。

这些新发现的引力透镜候选者可以为精确测量古代宇宙中星系的距离提供特定的标记,例如,如果通过这些透镜可以观察并精确跟踪和测量超新星的话。

强透镜还提供了一扇强大的窗户,让我们得以进入看不见的暗物质宇宙。暗物质约占宇宙物质的85%,因为造成透镜效应的大部分物质被认为是暗物质。暗物质和由暗能量驱动的宇宙加速膨胀,是物理学家正在努力解决的最大谜团之一。

在最近的一项研究中,研究人员招募了加州大学伯克利分校实验室国家能源研究科学计算中心(NERSC)的超级计算机Cori,以自动比较暗能量摄像机遗产调查(贴花)的成像数据,暗能量摄像机遗产调查是为DESI和ndash准备的三项调查之一。包括423个已知镜头和9451个非镜头的训练样本。

研究人员候选人强有力的镜头分成三类根据的可能性,事实上,镜头:一年级60候选人最有可能镜头,年级B的105名候选人不太明显的功能,和C级176候选人眼镜微弱和小透镜特性比其他两类。

该研究的主要作者黄晓生指出,该团队已经成功赢得了使用哈勃太空望远镜的时间,以确认研究中发现的一些最有希望的透镜候选者,从2019年后期开始使用哈勃望远镜进行观测。

哈勃太空望远镜可以看到精细的细节而不受地球大气层的模糊影响。黄说。

暗能量望远镜使我们能够通过新的透镜看到宇宙

候选镜片是在神经网络的帮助下识别的,神经网络是人工智能的一种形式,通过训练计算机程序逐渐改进其图像匹配,从而提高识别镜片的成功率。计算机神经网络的灵感来自于人类大脑中神经元的生物网络。

训练神经网络要花好几个小时。黄说。透镜有一个非常复杂的拟合模型。什么是透镜?什么东西不是镜头?

黄指出,他们对透镜图像进行了艰苦的人工分析,以帮助从成千上万张图像中挑选出最好的图像来训练网络。他回忆起一个周六,他和学生研究人员坐了一整天,仔细研究了数万张照片,形成了镜片和非镜片的样本清单。

我们并不是随机选择的。黄说。我们必须用手选的例子来扩充这个集合,这些例子看起来像透镜,但不是透镜。例如,我们选择了那些可能会让人混淆的单词。

暗能量望远镜使我们能够通过新的透镜看到宇宙

他补充说,学生的参与是这项研究的关键。学生们勤奋地完成了这个项目,解决了许多难题,同时还上了很多课。他说。克里斯托弗·斯托弗(Christopher Storfer)是参与这项研究的学生之一,后来被选中参加了加州大学伯克利分校实验室的美国能源部科学本科实习项目(SULI)。

研究人员已经改进了最新研究中使用的算法,以加快可能的镜头识别。据估计,每10000个星系中就有一个充当透镜,而神经网络可以消除大部分非透镜。以前需要从一万张照片中找到一张,现在我们只有几十张了。他说。

该神经网络最初是为强引力透镜发现挑战而开发的,这是一项编程竞赛,从2016年11月持续到2017年2月,它推动了寻找强透镜的自动化工具的发展。

Schlegel说,随着越来越多的观测数据,以及新的望远镜项目,如DESI和LSST (LSST),计划于2023年投入使用,使用先进的人工智能工具来挖掘这些数据将面临激烈的竞争。

竞争是有益的,他说。例如,澳大利亚的一个研究小组也发现了许多使用不同方法的新透镜候选者。他们所发现的大约有40%是我们所没有的。同样,施莱格尔参与的研究也发现了许多其他研究小组所没有的候选透镜。

黄说,研究小组已经扩大了在其他天空成像数据来源中寻找镜头的范围,同时也在考虑是否要加入更广泛的计算资源,以加快搜索速度。

我们的目标是达到1000人。Schlegel说,新的候选lensing。

在DESI DECam遗产调查中发现强引力透镜;黄x, c . Storfer诉拉维,a . Pilon m·多明戈·d·j·施莱格尔,贝利,a·戴伊r·r·古普塔d Herrera,朱诺,m . Landriau d·朗a .梅森尔j .工程公元迈尔斯,e . f . Schlafly f·巴尔德斯,b·a·韦弗j·杨和c . Yè切,2020年5月7日,《天体物理学杂志》上。

1538 - 4357 . DOI: 10.3847 / / ab7ffb

NERSC是美国能源部科学用户设施办公室。

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