使用大数据和机器学习来解决基本的宇宙学问题

青年澳门威尼斯人注册网站研究员：狄龙布劳博士，宇宙学家。天体物理学家。数据爱好者。

玛戈·斯坦顿著

我们如何理解暗物质、暗能量或宇宙的历史和命运？这些都是哈里里澳门威尼斯人注册网站研究所澳门威尼斯人注册网站研究员狄龙·布劳特试图通过他的澳门威尼斯人注册网站研究来回答的问题。Brout是天文学和物理学助理教授，是观测宇宙学领域的领军人物。他使用大型数据集、最先进的机器学习、统计工具和图像分析来回答围绕宇宙动态的问题。在此之前，Brout是哈佛和史密森尼天体物理中心的NASA爱因斯坦澳门威尼斯人注册网站研究员。

Brout在万神殿+和SH0ES等宇宙学项目中发挥了重要作用，这些项目包括收集过去30年的超新星数据并重新分析。分析Pantheon+的论文获得了IOP出版最高被引论文奖。该团队将这些数据与1000多个哈勃太空望远镜的轨道相结合，揭示了当前宇宙的膨胀率。这一发现的重要意义在于，它与普朗克合作的理论相矛盾，普朗克的理论认为宇宙在38万年前就存在了（这是澳门威尼斯人注册网站研究人员今天所能看到的）。这一矛盾是当今宇宙学中讨论最广泛的话题之一，可能表明当前宇宙理论中的一个缺口。它激发了今天所做的许多澳门威尼斯人注册网站研究，以绘制宇宙膨胀的地图，并测试爱因斯坦的广义相对论和宇宙大爆炸后不久的宇宙物理学。

《艺术x科学》杂志的Marc Chalufour与Brout坐下来讨论了他是如何对这个领域产生兴趣的，以及他在比利时的曾祖父——“有史以来最重要的物理学家之一”——是如何激励他追求宇宙学并把他带到今天的位置的。阅读下面这篇文章的节选。

当布劳特在高中开始对物理感兴趣时，他从澳门威尼斯人注册网站那里得知了一个令人惊讶的事实。“你知道，我们有个远房亲戚住在比利时，显然是个重要的物理学家，”他们说。“我很快意识到他是有史以来最重要的物理学家之一，”Brout说。

原来，他的曾祖父罗伯特·布劳特（Robert Brout）和弗朗索瓦·恩格勒（franois Englert）共同发表了第一篇论文，提出了“上帝粒子”赋予宇宙万物质量的理论。他们的理论统治了粒子物理学半个多世纪。然后，在2012年，科学家们发现了这样一种粒子，当时它被称为希格斯玻色子。2013年，恩格勒和彼得·希格斯因发展该理论而获得诺贝尔物理学奖；罗伯特·布劳特很可能会和他们一起获奖，但他早在一年前就去世了。

Dillon Brout一直在澳门威尼斯人注册网站研究他曾祖父的遗产，并希望写一本书。“他与爱因斯坦齐名，因为他对物理学的许多不同方面都产生了影响，”他说。

布劳特是在他的曾祖父去世前几年才知道他的，但他们在那段时间里经常通信。当Brout分享他对粒子物理学的兴趣时，他的曾祖父鼓励他转而澳门威尼斯人注册网站研究宇宙学。“2008年，他在思考宇宙的诞生，”Brout说。“这让我走上了今天走到这里的轨道。”

1978年，罗伯特·布劳特（Robert Brout）与人合著了一篇澳门威尼斯人注册宇宙在大爆炸的初始时刻如何膨胀的论文，这一理论现在被称为暴胀理论。对于Dillon Brout来说，精确测量宇宙是一个建立在这个想法上的机会。“如果我们能把宇宙现在的运行和最初膨胀的原因联系起来，那对我来说将是一个梦想。”

哈里里澳门威尼斯人注册网站研究所向Brout询问了他的澳门威尼斯人注册网站研究重点，最近收集和重新分析超新星数据的项目，以及作为哈里里澳门威尼斯人注册网站研究所初级教员澳门威尼斯人注册网站研究员的未来工作：

哈里里澳门威尼斯人注册网站研究所：您能描述一下您的澳门威尼斯人注册网站研究重点及其应用吗？

Brout：我的澳门威尼斯人注册网站研究小组将宇宙距离和宇宙速度测量与暗能量、暗物质、普通物质和爱因斯坦广义相对论等基本物理特性联系在一起。宇宙学是一个非常幸运的领域。我们有一些难以置信的基本问题没有得到解答，但我们也有一些所有科学领域最大的数据集，将在未来十年向我们提供。

我们面临着这些巨大的问题，比如暗能量的本质和宇宙加速的本质以及暗物质的本质我们还不知道它们构成了宇宙中大约95%的物质/能量。此外，我们面临的事实是，我们对宇宙的“端到端”测试（将最早的宇宙与我们今天看到的宇宙进行比较）没有通过；这就是所谓的哈勃常数危机。我们现在正在越来越远地回顾宇宙的历史，看看暗能量是否可以进化，或者它是否实际上是爱因斯坦自己给我们的一个“宇宙常数”。如果是后者，那么我们仍然需要尝试解释为什么对宇宙常数大小的理论预测与观测值相差120个数量级。这有时被称为“所有科学中理论与观测之间最大的差异”！

哈里里澳门威尼斯人注册网站研究所：你澳门威尼斯人注册网站研究的主要目的是什么？

Brout现在正在领导一个项目来回答这些问题：鲁宾天文台时空遗产调查（LSST）暗能量科学合作，位于智利安第斯山脉的一个山顶。LSST将建立在Brout之前领导的暗能量调查（DES）技术的基础上，但升级了硬件，更大的视野，更灵敏的电子设备，以及60秒的警报流——“在建造望远镜的各个方面都有重大改进。”

DES发现了1500颗超新星；LSST可以找到100万个。“这是革命性的。我们可以问不同的问题，”Brout说。“我们可以用全新的方式探索宇宙。这将是一场全新的游戏。然而，首先，我们需要处理好源源不断的数据。”

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哈里里澳门威尼斯人注册网站研究所：最近有没有什么特别令人兴奋的进展或发现？

Brout: LSST将于明年上线。每晚的LSST数据量为20TB（总计15PB）。当前的挑战是如何处理如此庞大的数据量，并在60秒内生成警报，并在数据采集的一年内生成成熟的分析产品。

Hariri Institute：作为教授还是澳门威尼斯人注册网站研究员，你觉得你的工作中最有价值的是什么？

Brout：每天处理超大数据集很有趣，但最有意义的部分是寻找宇宙诞生、构成和命运的答案。

Hariri Institute：你打算如何利用这个奖学金机会？

Brout：这个奖学金将允许我主持包括人工智能社区在内的LSST研讨会。由于这项数据挖掘工作将依赖于人工智能算法、统计和计算改进以及图像处理，因此该奖学金为宇宙学家和数据科学家与更广泛的哈里里和CDS社区的聚会提供了一个独特的机会。我们的第一个研讨会将在今年春天邀请LSST副技术协调员来参观并与我们一起工作。

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