Figura 1:Un ejemplo del universo virtual creado por la supercomputadora ATERUI II. Muestra la distribución de aproximadamente 10 mil millones de partículas en un volumen que abarca aproximadamente 4,9 mil millones de años luz evolucionados hasta la actualidad. Se necesitan aproximadamente dos días usando 800 núcleos de CPU en ATERUI II. Crédito:YITP
Los avances en los telescopios han permitido a los investigadores estudiar el universo con mayor detalle, y establecer un modelo cosmológico estándar que explique varios hechos de observación simultáneamente. Pero hay muchas cosas que los investigadores aún no comprenden. Notablemente, la mayor parte del universo está formada por materia oscura y energía oscura de naturaleza desconocida. Una vía prometedora para resolver estos misterios es estudiar la estructura del universo. El universo está formado por filamentos donde las galaxias se agrupan. Estos filamentos se asemejan a hilos de lejos, vacíos circundantes donde parece no haber nada. El descubrimiento del fondo cósmico de microondas les ha dado a los investigadores una instantánea de cómo se veía el universo cerca de su comienzo; comprender cómo evolucionó su estructura hasta lo que es hoy en día revelaría características valiosas sobre la materia oscura y la energía oscura.
Un equipo de investigadores, incluyendo al profesor adjunto del Proyecto de Física Teórica del Instituto Yukawa de la Universidad de Kyoto, Takahiro Nishimichi, y el investigador principal del Instituto Kavli para la Física y las Matemáticas del Universo (Kavli IPMU), Masahiro Takada, utilizó las supercomputadoras de simulación astrofísica más rápidas del mundo, ATERUI y ATERUI II, para desarrollar el Emulador Oscuro. El uso del emulador en datos registrados por varias de las encuestas de observación más grandes del mundo permite a los investigadores estudiar las posibilidades relacionadas con el origen de las estructuras cósmicas y cómo la distribución de la materia oscura podría haber cambiado con el tiempo.
"Creamos una base de datos extraordinariamente grande con una supercomputadora, que nos tomó tres años terminar, pero ahora podemos recrearlo en una computadora portátil en cuestión de segundos. Siento que existe un gran potencial en la ciencia de datos. Usando este resultado, Espero que podamos abrirnos camino para descubrir el mayor misterio de la física moderna, que es descubrir qué es la energía oscura. También creo que este método que hemos desarrollado será útil en otros campos como las ciencias naturales o las ciencias sociales, "dice el autor principal Nishimichi.
Figura 2:La forma en que las galaxias se agrupan en el Universo se aclara en esta imagen del universo observada por Sloan Digital Sky Survey (SDSS). Los puntos amarillos representan la posición de galaxias individuales, mientras que el bucle naranja muestra el área del universo que abarca mil millones de años luz. En el centro está la Tierra, ya su alrededor hay un mapa tridimensional de dónde se encuentran las diferentes galaxias. La imagen revela que las galaxias no se distribuyen uniformemente por todo el universo, y que se agrupan para crear áreas llamadas filamentos, o están completamente ausentes en áreas llamadas vacíos. Crédito:Tsunehiko Kato, ARC y SDSS, Proyecto de universo digital en cuatro dimensiones de NAOJ
Figura 3:El diseño conceptual de Dark Emulator. Izquierda:Un ejemplo del universo virtual creado por la supercomputadora ATERUI II. Centro:La arquitectura de Dark Emulator. Aprende la correspondencia entre los parámetros cosmológicos fundamentales empleados al comienzo de una simulación y su resultado basado en una arquitectura de aprendizaje automático con implementación híbrida de múltiples métodos estadísticos. Después de entrenar, la máquina ahora predice inmediatamente con precisión las señales de observación esperadas para un nuevo conjunto de parámetros cosmológicos sin ejecutar una nueva simulación. Esto permite a los astrónomos reducir drásticamente el costo computacional necesario para la extracción de parámetros cosmológicos de datos de observación Crédito:YITP, NAOJ
Esta herramienta utiliza un aspecto de la inteligencia artificial llamado aprendizaje automático. Al cambiar varias características importantes del universo, como los de materia oscura y energía oscura, ATERUI y ATERUI II han creado cientos de universos virtuales. Dark Emulator aprende de los datos, y adivina resultados para nuevos conjuntos de características sin tener que crear simulaciones completamente nuevas cada vez. Al probar la herramienta resultante con encuestas de la vida real, predijo con éxito efectos débiles de lente gravitacional en la encuesta Hyper Suprime-Cam, junto con los patrones de distribución de galaxias tridimensionales registrados en el Sloan Digital Sky Survey con una precisión del 2 al 3% en cuestión de segundos. En comparación, ejecutar simulaciones individualmente a través de una supercomputadora sin la IA, tardaría varios días.
Los investigadores esperan aplicar su herramienta utilizando datos de las próximas encuestas en la década de 2020, permitiendo estudios más profundos del origen en el universo.
