Während die Menschen darum kämpfen, die dunkle Energie zu verstehen, die mysteriöse Kraft hinter der beschleunigten Expansion des Universums, beginnen Wissenschaftler, einige eher futuristische Fragen zu stellen. Können Computer es besser machen? Nun, erste Ergebnisse eines Teams, das Techniken der künstlichen Intelligenz (KI) einsetzte, um den Einfluss dunkler Energie mit beispielloser Genauigkeit abzuleiten, könnten eine Antwort nahelegen: Ja.
Das Team unter der Leitung des Wissenschaftlers Niall Jeffrey vom University College London arbeitete mit der Dark Energy Survey-Kollaboration zusammen, um mithilfe von Messungen sichtbarer und dunkler Materie eine Simulation des Universums durch einen Supercomputer zu erstellen. Während dunkle Energie dazu beiträgt, das Universum in alle Richtungen zu treiben, ist dunkle Materie eine mysteriöse Form von Materie, die unsichtbar bleibt, weil sie nicht mit Licht interagiert.
Nach der Erstellung der kosmischen Simulation erstellte die Crew mithilfe von KI eine genaue Karte des Universums über die letzten sieben Milliarden Jahre und verdeutlichte die Wirkung der dunklen Energie. Die vom Team gewonnenen Daten repräsentieren unglaubliche 100 Millionen Galaxien, die sich über etwa 25 % des Himmels auf der Südhalbkugel der Erde verteilen. Ohne KI hätte die Erstellung einer solchen Karte anhand dieser Daten, die die ersten drei Jahre der Beobachtungen des Dark Energy Survey darstellen, viel mehr Beobachtungen erfordert. Die Ergebnisse tragen dazu bei, zu validieren, welche Modelle der kosmischen Evolution in Kombination mit der Dynamik der Dunklen Energie realisierbar sind, und gleichzeitig andere auszuschließen, die möglicherweise nicht realisierbar sind.
„Im Vergleich zur Verwendung älterer Methoden, um aus diesen Datenkarten etwas über Dunkle Energie zu lernen, verdoppelte die Verwendung dieses KI-Ansatzes letztendlich unsere Genauigkeit bei der Messung von Energie Schwarz“, sagte Jeffrey gegenüber Space.com. „Mit der Standardmethode bräuchte man viermal mehr Daten.
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„Wenn Sie dieses Maß an Präzision und Verständnis der Dunklen Energie ohne KI erreichen wollten“, fügte Jeffrey hinzu, „müssen Sie dieselben Daten noch dreimal in verschiedenen Teilen des Himmels sammeln. Das würde einer Kartierung von 300 weiteren Malen entsprechen.“ Gebiete . Millionen Galaxien.“
Das Problem der dunklen Energie
Dunkle Energie ist so etwas wie ein allgemeiner Name für die mysteriöse Kraft, die die Expansion des Universums beschleunigt und entfernte Galaxien mit der Zeit immer schneller von der Milchstraße und voneinander wegdrängt.
Die aktuelle Periode der „kosmischen Inflation“ unterscheidet sich von der, die auf die Geburt des Universums nach dem Urknall folgte; es scheint ausgelöst worden zu sein, nachdem sich die anfängliche Expansion verlangsamt hatte.
Stellen Sie sich vor, Sie geben einem Kind einen einfachen Anstoß auf einer Schaukel. Die Schaukel verlangsamt sich, nachdem diese Anfangskraft aufgebracht wurde, aber anstatt anzuhalten, ohne dass Sie noch einmal drücken, beginnt die Schaukel plötzlich wieder, sich zu bewegen. Das wäre an sich schon ziemlich seltsam, aber eigentlich steckt noch viel mehr dahinter. Der Schwung würde sich auch beschleunigen, nachdem die Bewegung plötzlich wieder aufgenommen wurde, und immer größere Höhen und Geschwindigkeiten erreichen. Dies ähnelt dem, was im Weltraum geschieht, wo das Universum nach außen sprudelt und nicht auf einer hin- und hergehenden Wippe.
Sie würden wahrscheinlich gespannt sein, was diesen zusätzlichen „Schub“ verursacht und die Beschleunigung verursacht hat. Wissenschaftler denken genauso über dunkle Energie und darüber, wie sie dem Gefüge des Weltraums offenbar einen zusätzlichen kosmischen Schub verliehen hat.
Dieser Wunsch wird durch die Tatsache verstärkt, dass dunkle Energie etwa 70 % des Energie- und Materiehaushalts des Universums ausmacht, obwohl wir nicht wissen, was das ist. Berücksichtigt man die Dunkle Materie, die 25 % dieses Budgets ausmacht und nicht aus Atomen bestehen kann, die wir gut kennen – solche, aus denen Sterne, Planeten, Monde, Neutronensterne, unser Körper und die Katze von nebenan bestehen –, haben wir nur wirklich Atome sichtbarer Zugang zu etwa 5 % des gesamten Universums.
„Wir verstehen wirklich nicht, was dunkle Energie ist; es ist eines dieser seltsamen Dinge. Es ist nur ein Wort, das wir verwenden, um eine Art zusätzliche Kraft im Universum zu beschreiben, die alle voneinander wegstößt. Andere als die Expansion des Universums.“ beschleunigt sich weiter“, sagte Jeffery. „Der Dark Energy Survey versucht zu verstehen, was dunkle Energie ist. Das Wichtigste, was wir versuchen, ist die Frage zu stellen: Ist sie eine kosmologische Konstante?“
Die kosmologische Konstante, dargestellt durch den griechischen Buchstaben Lambda, hat für Kosmologen eine recht reiche Geschichte. Albert Einstein führte es erstmals ein, um sicherzustellen, dass die Gleichungen seiner revolutionären Gravitationstheorie und der Allgemeinen Relativitätstheorie von 1915 das unterstützen, was als „statisches Universum“ bekannt ist.
Dieses Konzept wurde jedoch in Frage gestellt, als Edwin Hubbles Beobachtungen entfernter Galaxien zeigten, dass sich das Universum ausdehnt und sich daher ausdehnt. nicht statisch. Einstein warf die kosmologische Konstante in den wissenschaftlichen Mülleimer und bezeichnete sie angeblich als seinen „größten Fehler“.
Im Jahr 1998 beobachteten jedoch zwei verschiedene Astronomenteams entfernte Supernovae und stellten fest, dass sich das Universum nicht nur ausdehnte, sondern dass dies offenbar auch noch beschleunigt wurde. Dunkle Energie wurde erfunden, um die Kraft hinter dieser Beschleunigung zu erklären, und die kosmologische Konstante wurde aus dem hypothetischen Müll entfernt.
Die kosmologische Konstante Lambda stellt jedoch die Energie des Hintergrundvakuums des Universums dar und wirkt fast wie eine „Anti-Schwerkraft“-Kraft, die seine Expansion vorantreibt. Derzeit ist die kosmologische Konstante der Hauptbeweis für dunkle Energie.
„Unsere Ergebnisse sind im Vergleich zur Verwendung von Standardmethoden mit derselben Karte der Dunklen Materie sehr genau, und wir haben festgestellt, dass dies mit der Idee übereinstimmt, dass Dunkle Energie durch eine kosmologische Konstante erklärt wird“, sagte er. sagte Jeffrey. „Mit diesem Ergebnis haben wir einige physikalische Modelle der Dunklen Energie ausgeschlossen.“
Das bedeutet jedoch nicht, dass die Geheimnisse der dunklen Energie – oder die Kopfschmerzen der kosmologischen Konstante – gelindert werden.
„Die schlechteste Vorhersage in der Geschichte der Physik“
Die kosmologische Konstante stellt Wissenschaftler immer noch vor große Probleme.
Tatsächlich deuten Beobachtungen entfernter und sich entfernender Himmelsobjekte auf einen Lambda-Wert hin, der 120 Größenordnungen (10 gefolgt von 119 Nullen) niedriger ist als der von der Quantenphysik vorhergesagte. Daher ist es richtig, dass die kosmologische Konstante von einigen Wissenschaftlern als „die schlechteste theoretische Vorhersage in der Geschichte der Physik“ beschrieben wurde.
Jeffrey ist klar: So zufrieden das Team mit diesen Ergebnissen ist, kann diese Forschung die große Kluft zwischen Theorie und Beobachtung noch nicht erklären.
„Diese Ungleichheit ist einfach zu groß und zeigt uns, dass unsere Theorie der Quantenmechanik falsch ist“, fuhr er fort. „Diese Ergebnisse können uns sagen, welche Art von Gleichungen oder physikalischen Modellen beschreiben, wie sich unser Universum entwickelt und wie die Schwerkraft funktioniert, indem sie alles zusammenbringt, was im Universum aus Materie besteht.“
Obwohl die Ergebnisse des Teams darauf hindeuten, dass die Allgemeine Relativitätstheorie das richtige Rezept für die Schwerkraft ist, können sie darüber hinaus andere mögliche Schwerkraftmodelle nicht ausschließen, die die beobachteten Auswirkungen der Dunklen Energie erklären könnten.
„Auf den ersten Blick stimmt die bloße Betrachtung dieser Ergebnisse mit der allgemeinen Relativitätstheorie überein – aber es gibt immer noch viel Spielraum, weil sie auch andere Theorien darüber zulässt, wie dunkle Energie oder Schwerkraft funktionieren“, sagte Jeffrey.
Diese Forschung zeigt den Nutzen der Verwendung von KI, um simulierte Modelle des Universums auszuwerten, wichtige Muster zu erkennen, die Menschen möglicherweise übersehen, und so nach wichtigen Hinweisen auf dunkle Energie zu suchen.
„Mit diesen Techniken können wir Ergebnisse erzielen, als hätten wir diese Daten noch dreimal erhalten – das ist ziemlich erstaunlich“, sagte Jeffrey.
Der UCL-Forscher betont, dass für die Durchführung dieser Studien eine ganz bestimmte Form der KI erforderlich ist, die gut darauf trainiert ist, Muster im Universum zu erkennen. Kosmologen werden nicht einfach in der Lage sein, ihre KI-Systemsimulationen basierend auf dem Universum zu füttern, so wie man in ChatGPT Fragen stellen und Ergebnisse erwarten kann.
„Das Problem mit ChatGPT ist, dass es es einfach erfindet, wenn es etwas nicht weiß“, sagte er. „Was wir wissen wollen, ist, wann wir etwas wissen und wann nicht. Daher denke ich, dass es noch viel zu tun gibt, damit Menschen, die sich für eine Arbeit interessieren, die Wissenschaft und KI kombiniert, zuverlässige Ergebnisse erzielen können.“
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Es liegen noch sechs Jahre an Daten des Dark Energy Survey vor, die in Kombination mit Beobachtungen des im Juli 2023 gestarteten Euclid-Teleskops viel mehr Informationen über die großräumigen Strukturen des Universums liefern dürften. Dies soll Wissenschaftlern dabei helfen, ihre kosmologischen Modelle zu verfeinern und noch präzisere Simulationen des Universums zu erstellen, die ihnen endlich Antworten auf das Rätsel der dunklen Energie liefern könnten.
„Das bedeutet, dass die simulierten Universen, die wir erzeugen, so realistisch sind; in gewisser Weise sind sie möglicherweise realistischer als das, was wir mit unseren alten Methoden erreichen konnten“, schloss Jeffrey. „Es geht nicht nur um Genauigkeit, sondern auch darum, an diese Ergebnisse zu glauben und sie für zuverlässig zu halten.“
Die Forschung des Teams ist als Vorveröffentlichung im arXiv-Papierrepository verfügbar.