1. 首页 > 自然地理

暗能量光谱仪:以新的眼光探索宇宙和神秘暗能量

暗能量光谱仪(Dark Energy Spectroscopic Instrument,简称:DESI),又译为暗能量成像光谱仪,指对遥远星系通过光谱天文巡查的新一代探测仪器,它可帮助科学家绘制出成千万个星系的时空分布,并以此来研究宇宙暗能量,从而使实验能够探索宇宙的扩展历史和暗能量的神秘物理学。

该仪器由劳伦斯·伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory)在美国能源部暗能量望远镜项目下操作,在2016年6月开始施工,于2020年3月完成,位于亚利桑那州索诺兰沙漠2100米高的基特峰顶。它的主要组件是一个包含5,000个光纤定位机器人的焦平面,以及一堆由光纤装备的光谱仪。

暗能量光谱仪:以新的眼光探索宇宙和神秘暗能量

宇宙的膨胀历史及其大规模结构是宇宙学模型预测中的关键问题,暗能量光谱仪观测将使科学家能够探索宇宙学的各个方面,从暗能量、到广义相对论、到中微子质量、到早期的宇宙等。暗能量光谱仪的数据将用于创建物质分布的三维图,该图涵盖了空前的宇宙且具有无与伦比的细节。这将提供对暗能量本质的洞察力,并确定宇宙加速是否是由于广义相对论的宇宙尺度变化引起的。暗能量光谱仪将在早期了解暗能量和宇宙膨胀率方面带来变革,这是当代物理学的最大谜团之一。

通俗地来讲,暗能量光谱仪使人们能够通过新的透镜来看宇宙,暗能量光谱仪收集的图像可以揭示了许多种潜在的新的引力透镜。它使我们看宇宙犹如像水晶球一样,星系和其他巨大的太空物体可以像透镜一样作用于更遥远的物体,从而以启发性的方式弯曲光线,这称为引力透镜效应。

引力透镜(gravitational lensing)效应,是爱因斯坦于100多年前首次提出的理论,用于描述光线穿过诸如星系和星系团之类的大物体时是如何弯曲的。光线弯曲的程度主要取决于引力场的强弱。分析背景光源的扭曲,可以帮助研究中间作为“透镜”的引力场的性质。

根据尺度与效果的不同,引力透镜效应分为强引力透镜效应和弱引力透镜效应。透镜的强度与物体的位置、质量以及距透镜光源的距离有关。强透镜的质量可能是太阳的1000亿倍。强引力透镜的主要局限性在于其稀缺性,自1979年首次观测以来,仅有数百例得到证实,但这种情况正在迅速发生变化。

一个国际科学家团队通过暗能量光谱仪的数据进行深入研究,通过国际科学竞赛中获胜的机器学习算法,揭示了335名新的强透镜候选者。该最新研究成果发表在最近的《天体物理学杂志》上。

暗能量光谱仪:以新的眼光探索宇宙和神秘暗能量

论文第一作者为在旧金山大学和伯克利实验室从事研究的中国学者黄晓生(Xiaosheng Huang)。他说,研究团队已经在哈勃太空望远镜上赢得了时间,以确认研究中揭示的一些最有希望的透镜候选者,并观察了从2019年底开始的哈勃太空望远镜的时间。”“哈勃太空望远镜可以看到精细的细节,而不会模糊地球大气层的影响。”如下图所示透镜候选图像比较,研究中确定的候选透镜的地面空间图像(左)和确认透镜的哈勃太空望远镜图像(右)。

暗能量光谱仪:以新的眼光探索宇宙和神秘暗能量

研究团队借助于人工智能的神经网络来识别候选透镜,其中训练计算机程序以逐渐改善其图像匹配度,以提高识别镜片的成功率。计算机化的神经网络受到人脑中神经元的生物网络的启发。黄说:“训练神经网络需要几个小时。” “有一个非常复杂的拟合模型:'什么是透镜?'和'什么不是透镜?'”

如图所示哈勃太空望远镜图像引力透镜候选,哈勃太空望远镜的这张影像显示了一个引力透镜中心,该透镜首先借助处理了地面空间影像的神经网络被确定为候选透镜。透镜被人工上色并在图像中圈出。

暗能量光谱仪:以新的眼光探索宇宙和神秘暗能量

黄指出,对透镜图像进行了一些艰苦的手动分析,以帮助从数以万计的图像中选择最佳图像来训练网络。他回忆起一个星期六,他与学生研究人员坐了一整天的时间,研究了成千上万张图像,以开发出透镜和非透镜的样品清单。

黄说:“我们不只是随机选择这些,”“例如,我们必须用看起来像透镜但不是透镜的人工选择的例子来扩充此集合,”并且我们所选择的这些可能会令人困惑。如下图所示透镜候选比较图像,与最新的哈勃太空望远镜影像(黑白)并排比较时,彩色影像在研究中被确定为可能的引力透镜。

暗能量光谱仪:以新的眼光探索宇宙和神秘暗能量

黄补充说,由于大量的数据工作量,学生的参与是这项研究的关键。他说:“学生们在这个项目上勤奋工作,解决了许多棘手的问题。”研究人员已经对最新研究中使用的算法进行了改进,以加快识别的速度。虽然估计每10,000个星系中有1个充当透镜,但神经网络可以消除大多数非透镜。他说:“现在我们只需要几十张图像,而不是浏览10,000张图像。”

该神经网络最初是为2016年11月至2017年2月举行的计算机编程竞赛——``强引力透镜发现挑战赛''而开发的,旨在激发开发用于寻找透镜的自动化工具的动力。随着观测数据的增长,以及像暗能量光谱仪和计划于2023年启动的大型天气观测望远镜(LSST)之类的新望远镜项目,使用复杂的人工智能工具来挖掘这些数据越来越重要。

黄说:“那场比赛很好。”例如,澳大利亚的一个团队也使用不同的方法找到了许多新的引力透镜候选者。“大约40%的人发现我们所没有发现的”。黄说,研究团队已经扩大了在其他天空影像数据源中寻找透镜的搜索范围,并且还在考虑是否要插入更广泛的计算资源中以加快搜寻速度。“我们的目标是达到1,000个新的潜在的引力透镜。”

声明:部分文章和图片来源于网络,版权归原作者所有,如有侵权,请联系删除:allen585858@qq.com。本站发布此信息目的在于传播更多信息,与本网站立场无关,不保证该信息(包括但不限于文字、数据及图表)准确性、真实性、完整性等。本文地址:https://www.qiwenya.com/zrdl/9724.html

联系我们

在线咨询:点击这里给我发消息

微信号:weixin888

工作日:9:30-18:30,节假日休息