宇宙中的星系和其他大質(zhì)量物體可以作為引力透鏡，引力透鏡最早是由阿爾伯特·愛因斯坦在100多年前提出，用來描述光在經(jīng)過星系和星系團等大質(zhì)量物體時是如何彎曲的。這些透鏡效應(yīng)通常強弱之分，并且透鏡的強度與物體位置、質(zhì)量以及與被透鏡的光源距離有關(guān)。

產(chǎn)生強透鏡的質(zhì)量可能是太陽的1000億倍，這會導致來自同一路徑上更遠物體的光線放大并分裂成多個圖像，或者看起來像是戲劇性的弧形或光環(huán)。

強引力透鏡比較稀缺，自1979年第一次觀察以來，只有幾百個得到證實，但這種情況正在改變?，F(xiàn)在，一個國際科學家團隊的一項新研究揭示了335個新的強透鏡候選者，這是基于對美國能源部在亞利桑那州一個名為暗能量光譜儀(DESI)望遠鏡項目收集的數(shù)據(jù)深入研究。其研究成果發(fā)表在《天體物理學》期刊上，受益于在一場國際科學競賽中獲勝的機器學習算法。

參與這項研究的勞倫斯·伯克利國家實驗室(Berkeley Lab)物理部資深科學家David Schlegel說：找到這些天體就像找到一個星系大小的望遠鏡一樣，它們是暗物質(zhì)和暗能量的強大探測器。例如，如果通過這些透鏡觀測并精確跟蹤和測量超新星，這些新發(fā)現(xiàn)的候選引力透鏡可以提供特定標記，用于精確測量到古代宇宙中星系的距離。強透鏡還提供了一扇強大的窗口，讓人們可以看到看不見的暗物質(zhì)宇宙。

暗物質(zhì)約占宇宙物質(zhì)的85%，因為造成透鏡效應(yīng)的大部分質(zhì)量被認為是暗物質(zhì)。暗物質(zhì)和由暗能量驅(qū)動的宇宙加速膨脹，是物理學家正在努力解開的最大謎團之一。在新的研究中，研究人員利用伯克利實驗室國家能源研究科學計算中心(NERSC)的超級計算機CORI，將暗能量相機成像數(shù)據(jù)與423個已知強透鏡和9451個未知強透鏡的訓練樣本進行了自動比較。研究人員根據(jù)實際將候選強透鏡分為三類：

最有可能是強透鏡的60個候為A級，特征不太明顯的105個候選強透鏡為B級，以及比其他兩個類別的強透鏡更暗、更小的176個為C級。研究團隊已經(jīng)成功地在哈勃太空望遠鏡上贏得了時間，以確認研究中揭示一些最有希望的強透鏡候選者。哈勃太空望遠鏡可以在沒有地球大氣層模糊影響的情況下，看到精細的細節(jié)。候選強透鏡是在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的幫助下識別，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是人工智能的一種形式。

在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，計算機程序經(jīng)過訓練，隨著時間的推移逐漸改善其圖像匹配，以提高識別強透鏡的成功率，計算機化的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)靈感來自于人腦中神經(jīng)元的生物網(wǎng)絡(luò)。訓練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)需要很長時間時，有一個非常復雜的擬合模型。有一些艱苦的人工分析強透鏡圖像，以幫助從數(shù)萬張圖像中挑選出最好的圖像來訓練網(wǎng)絡(luò)。研究人員改進最新研究中使用的算法，以加快識別可能的強透鏡。

雖然估計每10000個星系中就有1個強引力透鏡，但神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以快速識別，天文學家只要識別出來的照片即可，而不是翻看1萬張照片才找到一張。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)最初是為強引力透鏡尋找挑戰(zhàn)賽而開發(fā)的，這是一項編程比賽，從2016年11月持續(xù)到2017年2月，旨在推動尋找強引力透鏡的自動化工具開發(fā)。隨著觀測數(shù)據(jù)的數(shù)量不斷增加，以及DESI和大型天氣觀測望遠鏡(LSST)等新的望遠鏡項目計劃于2023年啟動，使用人工智能工具挖掘這些數(shù)據(jù)的競爭將非常激烈。

博科園｜研究/來自：勞倫斯伯克利國家實驗室

研究發(fā)表期刊《天體物理學》

DOI: 10.3847/1538-4357/ab7ffb

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