一群热心人士如何绘制暗物质图谱

当欧几里得任务在本世纪末发射时，它将在红外和可见光下绘制星系团图，帮助绘制宇宙的大尺度结构。一群报名参赛的业余科学怪人将用他们的专业技能来阐明这些发现。

绘制暗物质地图竞赛证明，阿拉伯笔迹分析、冰川学和粒子物理学与宇宙学的关系比任何人想象的都要密切——而且当你要求人们为了炫耀而解决问题时，你会得到一些非常有创意的结果。

美国宇航局喷气推进实验室与主办预测和数据建模竞赛的初创公司 Kaggle 合作赞助了此次比赛。总共有 73 支队伍报名测量天文图像中星系的椭圆度，这是研究宇宙学暗物质的关键要素。加州大学欧文分校的物理学教授 David Kirkby 和研究生 Daniel Margala 赢得了该奖项，并于上周将他们的研究成果带到了 JPL。

问题：估算故意模糊的邮票大小的星系模拟图像的形状。柯比的背景是粒子物理学，但他对宇宙学感兴趣，所以当他在网上看到比赛时，他很感兴趣。

“进入一个新的研究领域很难，因为之前已经进行了很多研究，而且有太多的专业术语，很难处理数据，”柯克比在接受采访时说。“但因为这是一场比赛，所以这是一个设计得非常好的问题。它以一种非常容易理解和参与的方式提出了这个问题——他们想引入独特的想法来解决这个问题。”

这种方法确实有效。一开始，剑桥大学冰川学博士生马丁·奥利里就花了大量时间研究卫星图像，以探测冰川的边缘；他的技术也适用于确定星系的边缘。然后，队友德勤澳大利亚研究生 Eu Jin Lok 和卡塔尔大学签名验证专家 Ali Hassaine 以奥利里的发现为基础。柯克比和玛格拉建立了一个人工神经网络，并能够得出星系椭圆度的最准确值。

喷气推进实验室天体物理学家、欧几里得任务研究员杰森·罗德斯 (Jason Rhodes) 表示，这些结果可能会被纳入未来测量真实数据的算法中。

他说：“我们将从欧几里得获得最优质的数据，并且我们需要这些技术来充分利用这些数据。”

寻找暗物质就像寻找风一样——它是看不见的，但你可以通过它对其他物体的影响来判断它的存在。（显然，风比暗物质有更多可观察到的影响，但你明白我的意思。）就像你可以通过研究飘扬的旗帜来推断有风一样，暗物质研究人员可以通过观察星系光的扭曲来推断暗物质的存在。

上图是子弹星系团，可能是最好的例子。它描绘了两个以难以言喻的高能速度相互穿过的星系团。当它们以相反的方向相互穿过时，恒星的速度减慢了一点，而热气体（粉红色区域）的速度则减慢了很多。但是暗物质除了引力外不与任何东西相互作用，因此并没有减速。它在这里以蓝色表示，远远领先于这些星系团中的其他物质。它在图像中不是直接可见的；蓝色阴影是根据其引力对背景辐射的影响推断出来的。暗物质的引力就像一个透镜，扭曲了经过的光线。

想象一下水池中的一枚硬币——你看到的这枚硬币是扭曲的，因为反射的光必须穿过水，罗德斯解释道。

他说：“同样地，一个非常遥远的星系的形状在我们看来是扭曲的，因为它正在穿过中间的暗物质。”

要知道光线扭曲的程度，你需要知道发射光线的物体的形状——看起来扭曲的星系可能只是一个特别卵形的星系。确定星系椭圆度有助于天文学家确定这种椭圆度中有多少是由暗物质造成的。

柯克比和玛格拉为每个星系建立了一个模型，涉及六到七个不同的参数。罗德斯表示，这种全局视角是一种新颖的方法，而不是单独查看每个数据点。然后，他们将数据输入人工神经网络，并用该网络找到星系的椭圆形状。柯克比说，他计划写一篇关于他工作的论文。

“天文学界正试图解决迫在眉睫的大型数据分析问题，”柯克比说。“以竞赛的形式举办这一活动对于研究来说有点不寻常，但我认为这很有趣……它为研究增添了我们以前从未见过的新元素，人们倾向于独立工作并发表论文。”