數百萬顆爆炸的恆星可能很快就會揭示暗能量的秘密

發表於 自然天文學該研究引入了一個名為 CIGaRS 的框架，該框架可以從 Ia 型超新星（用於測量廣闊宇宙距離的強大恆星爆炸）中提取更多資訊。與許多目前的方法不同，該方法主要依賴成像數據而不是昂貴的光譜觀測。這項突破將幫助天文學家利用下一代天空調查即將提供的大量資料集，特別是來自維拉·C·魯賓天文台的資料集。

為什麼會出現Ia型超新星

當白矮星爆炸時，就會發生準型超新星。由於這些爆發幾乎達到相同的固有亮度，天文學家將它們用作「標準蠟燭」：透過將實際亮度與從地球上看到的亮度進行比較，研究人員可以估計它們的距離。

這些測量在宇宙快速膨脹的發現中發揮了關鍵作用。科學家將這種加速歸因於暗能量，這是現代物理學中最重要的未解決問題之一。

然而，有一個重要的併發症。幾乎所有類型的超新星都不完全相同。

主星系如何影響超新星測量

過去20年來，天文學家發現超新星的亮度受到觀測到的星系的影響。在較古老或較大質量的星系中發現的超新星可能與較年輕或較大質量星系中的超新星略有不同。

研究人員通常使用相對簡單的校正方法來解釋這些差異。儘管有用，但這些近似值可能會限​​制距離測量的準確性，進而限制宇宙學研究的準確性。

超新星與宇宙的統一模型

新框架透過同時建模多個因素來應對這項挑戰。研究人員沒有單獨處理每個組成部分，而是建立了一個單一的整合模型，其中包括超新星爆炸本身、它們的宿主星系、改變其光線的塵埃、宇宙歷史上超新星發生率的變化以及宇宙的膨脹。

透過在統計和物理框架內連接所有這些組件，團隊可以捕捉在單獨分析各個部分時經常被忽視的關係。

該研究的合著者 Raúl Jiménez（ICREA-ICCUB）表示：「對宇宙進行建模的一種有效方法是使用貝葉斯推理從頭開始進行計算機模擬。」 “這提供了一種同時改變所有可能的參數來預測我們生活在哪個宇宙的方法。此外，有了這種能力，人們可以研究可能的“未知的未知方法”。

利用人工智慧探索宇宙

建構這樣一個綜合模型通常需要大量的運算能力。為了使該方法變得實用，研究人員轉向了一種稱為基於模擬的推理的現代技術。

這個過程涉及科學家根據物理模型創建許多模擬宇宙。然後，神經網路（一種人工智慧）會學習模擬觀察結果與產生它們的物理特性之間的關係。訓練後，系統可以將真實的天文觀測與其模擬進行比較，並確定最可能的基礎參數。

這種策略使得同時研究數以萬計的超新星成為可能，這是使用傳統技術不可能的任務。

僅來自影像的精確星系距離

該研究最重要的發現之一是該框架可以僅使用影像資料高精度地確定星系距離（在競賽中偏紅）。

紅移測量隨著宇宙的膨脹，星系的光線被拉伸了多少。它提供了有關銀河系距離以及我們所觀察的時間有多遠的資訊。

研究人員表示，新方法提供的紅移估計精度與光譜測量相當，但不需要光譜。這種能力尤其重要，因為接下來的調查預計將識別出數百萬顆超新星候選者，而只有一小部分能夠真正接收後續光譜觀測。

魯賓天文台準備好進行資料探勘

目前正在智利建設的維拉·C·魯賓天文台預計將在不久的將來開始掃描長達數十年的天空。在這次任務中，他將發現數量空前的超新星。大約 99% 的這些物體只能透過光度測定來觀察，即透過以不同顏色拍攝的影像而不是精確的光譜來觀察。

CIGaRS 框架是專門針對這項挑戰而開發的。

「與需要分析簡化的其他框架不同，我們毫不妥協的基於端到端模擬的推理方法是唯一能夠從魯賓天文台提取完整的宇宙學和天體物理數據，同時避免選擇錯誤和建模偏差的方法，」主要研究作者康斯坦丁·卡爾切夫（ICCUB）說。

了解超新星是如何產生的

其好處不僅限於測量暗能量。該框架還提供了有關 Ia 型超新星起源的新資訊。

透過重建超新星發生率如何隨著不同星系中恆星年齡的變化，該模型可以幫助科學家研究有關產生這些爆炸的系統的長期存在的問題。

研究人員發現，將基於物理的模擬與人工智慧相結合可以克服當前宇宙學方法的一些限制。他們估計，與依賴相對較小的光譜觀測超新星樣本的傳統技術相比，該方法可以將宇宙學約束改善四倍。

隨著魯賓天文台準備開啟天文發現的新時代，像 CIGaRS 這樣的儀器可以幫助科學家從其觀測中提取最多的信息，並更深入地了解宇宙。