数百万の爆発する星が暗黒エネルギーの秘密を明らかにする可能性
新しいAI搭載フレームワークは、天文学者が宇宙の膨張を測定する方法を変革する可能性があります。Ia型超新星の画像を分析し、その環境を前例のない詳細さでモデル化することで、研究者は分光学的精度に近い宇宙距離を推定できます。この技術は、今後のヴェラ・ルービン天文台から期待されるデータの洪水のために設計されており、暗黒エネルギーの理解を大幅に向上させる可能性があります。
天文学者たちは、宇宙と暗黒エネルギーと呼ばれる謎の力に対する理解を劇的に向上させる可能性のある、強力な新しいAI駆動ツールを発表しました。バルセロナ大学宇宙科学研究所（ICCUB）が率いる研究チームは、Ia型超新星からこれまで以上に多くの情報を抽出できる新しい手法を開発しました。この研究成果は『Nature Astronomy』に掲載されました。Ia型超新星は白色矮星が爆発して起こる強力な恒星爆発で、その明るさがほぼ一定であるため、天文学者は「標準光源」として宇宙距離の測定に利用しています。これらの測定は、宇宙が加速膨張しているという発見に決定的な役割を果たし、その加速は暗黒エネルギーに起因するとされています。暗黒エネルギーは現代物理学最大の未解決問題の一つです。
しかし、Ia型超新星は完全に同一ではありません。過去20年間で、超新星の観測される明るさは、それが発生する銀河の影響を受けることが明らかになりました。例えば、古い銀河や大質量銀河で起こる超新星は、若い銀河や小質量銀河で起こるものとわずかに異なって見えることがあります。従来、研究者は比較的単純な補正方法でこれらの違いを処理していましたが、これでは距離測定の精度が制限され、宇宙論的研究の精度も低下する可能性がありました。
新しいCIGaRSフレームワークは、複数の要素を同時にモデル化することでこの課題に取り組みます。超新星爆発自体、母銀河、光を変化させる塵、宇宙史全体における超新星発生率の変化、そして宇宙の膨張までをひとつの統合モデルに組み込みました。すべての要素を単一の統計的・物理的フレームワークで結びつけることで、個別に分析すると見逃されがちな関係性を捉えることができます。
「宇宙をモデル化する強力な方法は、ベイズ推論を用いてコンピューター上で最初からシミュレーションすることです」と、研究の共著者であるICREA-ICCUBのRaúl Jiménez氏は述べています。「これにより、すべての可能なパラメータを同時に変化させ、私たちがどのような宇宙に住んでいるかを予測できます。さらに、この能力によって、未知の系統誤差の影響を調べることも可能です。これらの系統誤差の影響は、現在の宇宙モデリング手法で最も欠けている重要な要素と言えるでしょう。」
包括的なモデルは通常、膨大な計算能力を必要としますが、研究者たちはシミュレーションベース推論という現代的な手法を採用しました。まず、物理モデルに基づいて多数の模擬宇宙を生成し、ニューラルネットワーク（人工知能の一種）に模擬観測とその物理的特性との関係を学習させます。訓練後、システムは実際の天文観測をシミュレーションと比較し、最も可能性の高いパラメータを決定します。この戦略により、従来の手法では非現実的な数万もの超新星を同時に解析することが可能になります。
この研究の最も重要な発見の一つは、このフレームワークが画像データのみを用いて銀河距離（赤方偏移）を高精度で決定できることです。赤方偏移は宇宙膨張による銀河の光の引き伸ばしを測定し、銀河の距離と観測している時代の情報を提供します。研究者によると、新しい手法は分光観測に匹敵する精度で赤方偏移を推定できるが、スペクトルは必要ありません。この能力は特に、今後のサーベイで数百万もの超新星候補が発見され、そのごく一部しか分光的にフォローアップできない状況で重要です。
現在チリで建設中のヴェラ・ルービン天文台は、近い将来に10年にわたる空のサーベイを開始する予定です。そのミッション中、前例のない数の超新星を発見するでしょう。これらの天体の約99％は測光的にのみ観測されます。CIGaRSフレームワークはまさにこの課題を念頭に開発されました。
「解析的な単純化を必要とする他のフレームワークとは異なり、当社の妥協のないエンドツーエンドのシミュレーションベース推論アプローチは、ルービン天文台の貴重なデータから完全な宇宙論的・天体物理学的情報を抽出し、選択バイアスやモデリングバイアスの落とし穴を回避できる独自の能力を持っています」と、研究の筆頭著者であるICCUB-SISSA TriesteのKonstantin Karchev氏は述べています。
暗黒エネルギーの測定に加えて、このフレームワークはIa型超新星の起源に関する新たな情報も提供します。異なる銀河における超新星発生率が星の年齢とともにどのように変化するかを再構築することで、モデルは最終的にこれらの爆発を生み出すシステムに関する長年の疑問を調査するのに役立ちます。研究者たちは、物理ベースのシミュレーションと人工知能を組み合わせることで、現在の宇宙論的手法のいくつかの限界を克服できることを発見しました。従来の分光観測された超新星の比較的小さなサンプルに依存する手法と比較して、このアプローチは宇宙論的制約を最大4倍向上させることができると推定されています。
ルービン天文台が天文発見の新時代を迎える準備をする中、CIGaRSのようなツールは、科学者がその観測から最大限の情報を抽出し、宇宙に対するより深い理解を得るのに役立つでしょう。