熱狂的な研究者チームが暗黒物質の地図を作成する方法

ユークリッド計画は今世紀末に打ち上げられ、赤外線と可視光で銀河団の地図を作成し、宇宙の大規模構造の青写真を描くのに役立つだろう。そして、このコンテストに申し込んだ一群のアマチュア科学オタクたちは、その専門技術を駆使して、それらの発見を解明することになる。

マッピング・ダークマター・コンテストは、アラビア語の筆跡分析、氷河学、素粒子物理学が、誰もが考えていた以上に宇宙論と関連していること、そして自慢したいという理由で人々に問題を解くように頼むと、非常に創造的な結果が得られることを証明しています。

NASAのジェット推進研究所は、予測とデータモデリングのコンペを主催する新興企業Kaggleと協力して、このコンペを後援した。宇宙論の暗黒物質を研究する上で重要な要素である天文学画像における銀河の楕円率を測定するために、合計73チームが参加した。カリフォルニア大学アーバイン校の物理学教授デビッド・カークビー氏と大学院生ダニエル・マルガラ氏がこの賞を獲得し、先週、その研究結果をJPLに持ち込んだ。

問題は、意図的にぼかした切手サイズの銀河の模擬画像の形状を推定することだった。カークビー氏は素粒子物理学を専門としているが、宇宙論にも興味があり、オンラインでこのコンテストを見て興味をそそられた。

「新しい研究分野に踏み込むのは難しい。すでに多くのことがすでに行われており、専門用語が多すぎて、データを扱うのが難しいからだ」とカークビー氏はインタビューで語った。「しかし、これはコンテストだったので、非常によく設計された問題だった。私たちが理解しやすく、参加しやすい形で問題が提示された。彼らは、問題に取り組むために独自のアイデアを持ち込みたかったのだ。」

そして、それはうまくいった。ケンブリッジ大学の氷河学博士課程の学生、マーティン・オリアリーは、すぐに、氷河の端を検出するために衛星画像を研究することにほとんどの時間を費やした。彼の技術は、銀河の端を決定するのにも応用された。その後、チームメイトのデロイトのオーストラリア人大学院生、ユー・ジン・ロックと、カタール大学の署名検証スペシャリスト、アリ・ハッセインは、オリアリーの発見に基づいて研究を進めた。カークビーとマルガラは人工ニューラルネットワークを構築し、銀河の楕円率の最も正確な値を導き出すことができた。

JPLの天体物理学者でユークリッド計画の研究者でもあるジェイソン・ローズ氏は、この研究結果は実際のデータを測定する将来のアルゴリズムに組み込まれる可能性が高いと述べた。

「ユークリッドから最高品質のデータが得られるが、そのデータを最大限に活用するにはこうした技術が必要だ」と彼は語った。

暗黒物質を探すのは、風を探すのに似ています。目には見えませんが、他の物体への影響から、そこにあることがわかります。(もちろん、風の方が暗黒物質よりも目に見える影響が大きいのですが、意味はわかりますよね。) 風が吹いていると推測するためになびく旗を調べるのと同じように、暗黒物質の研究者は銀河の光の歪みを調べて、暗黒物質が存在すると推測します。

上の画像、弾丸銀河団は、おそらくこのことを最もよく表す例でしょう。この画像には、言葉では言い表せないほどのエネルギーのスピードで互いを通過してきた 2 つの衝突銀河団が描かれています。これらが反対方向に通過するにつれて、星は少し減速し、ピンク色の部分である高温のガスは大幅に減速しました。しかし、重力以外で何とも相互作用しない暗黒物質は減速しませんでした。ここでは、暗黒物質は青で表され、これらの銀河団内の他の物質よりはるかに先行しています。この画像では暗黒物質は直接見えませんが、青い陰影は、その重力が背景放射に与える影響から推測されます。暗黒物質の重力はレンズのように作用し、通過する光を歪めます。

水たまりの中の1セント硬貨を想像してみてほしい。その硬貨に反射した光が水を通過しなければならないため、見える硬貨は歪んで見える、とローズ氏は説明した。

「同様に、非常に遠くにある銀河は、介在する暗黒物質の中を移動しているため、歪んで見える形をしています」と彼は語った。

光がどの程度歪んでいるかを知るには、その光を発している物体の形状を知る必要がある。歪んで見える銀河は、単に特に卵形の銀河なのかもしれない。銀河の楕円率を判定することで、天文学者はその楕円率のどの程度が暗黒物質によるものかを判断することができる。

カークビー氏とマルガラ氏は、6 つか 7 つのパラメータを含む各銀河のモデルを考案した。ローズ氏によると、各データ ポイントを個別に見るのではなく、この全体的な視点は斬新なアプローチだったという。その後、彼らはデータを人工ニューラル ネットワークに入力し、それを使って銀河の楕円形を調べた。カークビー氏は、この研究について論文を書く予定だと述べた。

「天文学コミュニティは、迫りくる大規模なデータ分析問題に先手を打とうとしています」とカークビー氏は言う。「この研究が競争という形で行われたのは、研究としては珍しいことですが、それが楽しいものになったと思います。これまでは見られなかった、人々が一人で作業して論文を発表するという新しい要素が研究に加わったのです。」