天文学家成功研发了一套前沿的人工智能驱动框架，能够从用于测量宇宙尺度的爆炸恒星中提取更丰富的数据信息。图片来源：Shutterstock

令人振奋的是，一项创新方法能够同步分析超新星及其所在的宿主星系——这无疑将推动宇宙学研究的精确度迈上一个新台阶。

由巴塞罗那大学宇宙科学研究所（ICCUB）科学家领衔的一支国际合作团队，提出了一套全新方法，有望帮助研究人员更清晰地揭示宇宙膨胀机制与暗能量的本质。

这项发表于《自然天文学》期刊的研究，详细介绍了一个被称为CIGaRS的框架。其核心目标非常明确：从Ia型超新星——这些对宇宙学研究至关重要的爆炸恒星——中获取更丰富的信息。主要手段是采用成像数据，而非依赖成本高昂的光谱观测。

这种方法恰好能够应对未来天文观测中产生海量数据集的挑战，尤其是来自薇拉·C·鲁宾天文台的观测数据，在众多情况下根本来不及进行光谱分析。CIGaRS正是为此类高数据量环境量身打造的有效工具。

超新星为何对理解宇宙至关重要

Ia型超新星源于白矮星的剧烈爆炸。由于这类爆炸的真实亮度几乎恒定，天文学家将其视为“标准烛光”。通过对比其理论亮度与实际观测到的亮度，研究人员能够估算出宇宙中的距离。

正是凭借这一方法，科学家揭开了宇宙加速膨胀的奥秘，而暗能量正是其背后的关键驱动力——暗能量可谓是物理学领域最深邃的未解之谜之一。然而，一个重要的复杂情况不容忽视：Ia型超新星实际上并非完全相同。

核心问题：超新星受其生存环境影响

天文学家早已发现，Ia型超新星的亮度会受到其所在星系的微妙影响。例如，在较古老或质量较大的星系中的超新星，与那些位于较年轻或较小星系中的超新星相比，会呈现出细微的亮度差异。

长期以来，研究人员通常采用相对简化的近似方法来修正这些环境效应。但这些捷径可能会限制科学家利用超新星精确测量宇宙距离的能力，简而言之，就是精确度不够高。

统一解法：综合建模方案

这项新研究通过同时建模多个相互关联的因素来应对这一挑战：超新星爆炸本身、它们的宿主星系、使光线变暗并变红的星际尘埃、宇宙历史中超新星的发生频率，以及宇宙自身的膨胀过程。

研究团队并未孤立地处理每个元素，而是构建了一个自洽的模型，通过物理与统计关系将这些因素串联起来。

“对宇宙进行建模的一种高效方法是利用贝叶斯推理，在计算机中从头开始模拟整个宇宙，”该研究的合著者劳尔·希门尼斯（ICREA, ICCUB）表示。“这种方法提供了同时变更所有可能参数的途径，从而预测我们所在的宇宙究竟是什么样的。此外，凭借这种能力，人们可以研究可能存在的‘未知的未知’系统性因素，以了解它们的影响。这些系统性因素对我们推理的影响，可以说是当前宇宙建模方法中最重要的缺失部分。”

人工智能与宇宙学的深度融合

为了使这种广泛的建模策略具备可行性，研究人员采用了一种名为“基于模拟的推理”的现代方法。

具体过程是这样的：科学家首先基于物理模型创建大量模拟宇宙，随后通过一个神经网络（一种人工智能工具）来学习模拟观测结果如何与潜在的物理参数相关联。训练完成后，这个系统便可直接利用真实的天文数据来推断这些物理参数。

这样一来，同时分析数以万计的超新星成为可能——这种规模在传统技术条件下根本无法实现。

关键成果：无需光谱学的高精度距离测量

一个主要发现是，该方法仅凭借图像就能准确估计星系距离（即红移）。红移描述了宇宙膨胀对星系光线的拉伸程度，帮助天文学家确定星系的距离以及我们看到的它处于多久之前的宇宙状态。

这种新方法的精度达到了与光谱测量相似的水平，但完全不需要光谱数据。这一点至关重要，因为未来的天空巡天观测将识别出数百万个潜在的超新星候选体，而其中只有极小一部分能通过光谱学进行后续深入研究。

为鲁宾天文台时代做好充分准备

薇拉·C·鲁宾天文台位于智利，即将开展一项为期十年的巡天观测，预计将探测到数量惊人的超新星，其中约99%将仅通过光度法观测——也就是用不同颜色滤波片拍摄的图像。

CIGaRS框架正是专门为这种数据丰富的观测环境而设计的。

“与其他需要依赖简化解析的框架不同，我们这种不妥协的端到端基于模拟的推理方法，能够独特地从鲁宾天文台来之不易的数据中提取完整的宇宙学与天体物理学信息，同时有效避免选择偏差和建模偏差的陷阱。”研究的主要作者康斯坦丁·卡尔切夫（ICCUB的里雅斯特国际高等研究院）表示。

超越宇宙学：探索恒星的爆炸机制

除了改进暗能量测量之外，这项研究还可能帮助研究人员更好地理解Ia型超新星的形成方式与爆发时机。通过重建超新星发生率与星系中恒星年龄之间的关系，该模型为研究产生这些爆炸的恒星系统这一长期难题，提供了一种全新的思路。

研究结果表明，将基于物理的建模与人工智能相结合，能够有效解决当前宇宙学分析中的主要薄弱环节。据作者称，与仅依赖一小部分光谱观测超新星的传统方法相比，这种方法可以将宇宙学约束条件的精度提升多达四倍。

随着鲁宾天文台准备重塑天文学的面貌，像CIGaRS这样的工具将帮助研究人员更全面地解读其数据，并更深刻地理解这些观测所揭示的宇宙真相。

相关知识

爆炸恒星一般指超新星爆发，是大质量恒星演化至末期发生的剧烈天文事件。当恒星核心燃料耗尽，引力坍缩与内部反弹产生的冲击波会撕裂星体，释放出巨大能量，其亮度在短时间内远超整个星系。爆炸抛射出的重元素是宇宙中行星、生命等物质的重要来源，残骸则可能形成中子星或黑洞。