Исследователи под руководством Института космических наук Барселонского университета (ICCUB) разработали новую технику, которая может значительно улучшить изучение расширения Вселенной и исследовать таинственную силу, известную как темная энергия. Потому что, очевидно, Вселенная еще не закончила хвастаться.

Опубликованное в Nature Astronomy исследование представляет структуру под названием CIGaRS, которая может извлекать гораздо больше информации из сверхновых типа Ia — мощных звездных взрывов, используемых для измерения огромных космических расстояний. В отличие от многих современных подходов, метод в основном полагается на данные изображений, а не на дорогие спектроскопические наблюдения. Ожидается, что это достижение поможет астрономам полностью использовать огромные наборы данных, которые скоро поступят от обзоров неба следующего поколения, особенно тех, что проводит обсерватория Веры К. Рубин.

Сверхновые типа Ia возникают, когда взрываются белые карлики. Поскольку эти взрывы достигают почти одинаковой внутренней яркости, астрономы используют их как «стандартные свечи»: сравнивая их фактическую яркость с тем, насколько яркими они кажутся с Земли, исследователи могут рассчитать их расстояние. Эти измерения сыграли решающую роль в открытии того, что Вселенная расширяется с ускорением. Ученые приписывают это ускорение темной энергии — одному из самых значительных нерешенных вопросов современной физики.

Однако есть важное осложнение. Сверхновые типа Ia не идеально идентичны. За последние 20 лет астрономы обнаружили, что наблюдаемая яркость сверхновой зависит от галактики, в которой она происходит. Сверхновые, найденные в более старых или более массивных галактиках, могут выглядеть немного иначе, чем те, что происходят в более молодых или менее массивных галактиках. Исследователи обычно учитывали эти различия с помощью относительно простых методов коррекции. Хотя они полезны, эти приближения могут ограничивать точность измерений расстояний и, в свою очередь, точность космологических исследований.

Новая структура решает эту проблему, моделируя несколько факторов одновременно. Вместо того чтобы рассматривать каждый компонент независимо, исследователи построили единую интегрированную модель, которая включает сами взрывы сверхновых, их родительские галактики, пыль, изменяющую их свет, изменения в частоте сверхновых на протяжении космической истории и даже расширение Вселенной. «Мощный способ моделирования Вселенной — это симулировать ее ab initio на компьютере с использованием байесовского вывода», — говорит Рауль Хименес (ICREA-ICCUB), соавтор исследования. «Это позволяет одновременно варьировать все возможные параметры, чтобы предсказать, в какой Вселенной мы живем. Кроме того, имея такую способность, можно исследовать возможные „неизвестные неизвестные“ систематики, чтобы понять их влияние».

Построение такой всеобъемлющей модели обычно требует огромной вычислительной мощности. Чтобы сделать подход практичным, исследователи обратились к современной технике, называемой выводом на основе симуляции. Процесс начинается с того, что ученые генерируют большое количество симулированных вселенных на основе физических моделей. Затем нейронная сеть учится, как симулированные наблюдения связаны с физическими свойствами, которые их породили. После обучения система может сравнивать реальные астрономические наблюдения со своими симуляциями и определять наиболее вероятные лежащие в основе параметры. Эта стратегия позволяет анализировать десятки тысяч сверхновых одновременно — задача, которая была бы непрактичной с использованием традиционных методов.

Один из самых значительных выводов исследования заключается в том, что структура может определять расстояния до галактик (красные смещения) с высокой точностью, используя только данные изображений. По словам исследователей, новый метод дает оценки красного смещения с точностью, сравнимой со спектроскопическими измерениями, но без необходимости в спектрах. Эта возможность особенно важна, поскольку предстоящие обзоры, как ожидается, выявят миллионы кандидатов в сверхновые, в то время как лишь небольшой процент может реально получить спектроскопическое подтверждение.