国立大学法人東海国立大学機構 名古屋大学素粒子宇宙起源研究所 宮武広直（みやたけ ひろなお）准教授は、アリゾナ大学天文学科 小林洋祐（こばやし ようすけ）博士研究員（2021年まで東京大学国際高等研究所カブリ数物連携宇宙研究機構（以下カブリIPMU）大学院生及び特任研究員）、京都大学基礎物理学研究所 西道啓博（にしみち たかひろ）特定准教授（兼：カブリIPMU客員科学研究員）、カブリIPMU 高田昌広（たかだ まさひろ）教授からなる共同研究チームと共に、現在世界最大の銀河サーベイであるスローン・デジタル・スカイ・サーベイ（SDSS）から得られた銀河の3次元分布（地球から見た奥行き方向および2次元角度方向）のデータと、宇宙の大規模構造（注1）の理論模型を比較し、「宇宙論パラメータ」（注2）と呼ばれる、宇宙の性質を決める基本的な物理量を測定しました。これを行うために、国立天文台のスーパーコンピュータ「アテルイⅡ」（注3）を用いて様々な宇宙論パラメータを仮定して宇宙の構造形成シミュレーションを実行し、その大規模データを人工知能（AI）技術のひとつであるニューラルネットワーク（注4）に学習させることで、任意の宇宙論パラメータに対する理論計算を高速かつ高精度に実行できるソフトウェアを開発しました。つまり、今回の解析は銀河地図の観測とあらゆる宇宙論モデル（注2）のシミュレーションとの比較と同等になります。直接数値シミュレーションを用いてこの操作を行うには、現実的な時間では完了できないほど膨大な計算量が必要です。ニューラルネットワークに基づくモデルを用いることで、世界で初めてこのような解析が可能となりました。その結果、ダークマターの総量、および現在の宇宙の凸凹の度合いを表す宇宙論パラメータを、先行研究を上回る精度で測定することに成功しました。今回の手法は、カブリIPMUのリードで現在開発が進んでいるすばる望遠鏡超広視野多天体分光装置Prime Focus Spectrograph (PFS) による広天域銀河サーベイのデータにも適用することができます。本研究成果は、2022年4月20日に米国の物理学専門誌「Physical Review D」にオンライン掲載されました。
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注1) 宇宙の大規模構造：宇宙初期に量子論的な効果で生成されたとされる微小な密度揺らぎが重力によって成長してできた、物質（ダークマターなど）や銀河が織りなす泡状の構造。およそ100万光年以上という巨大なスケールにわたって広がることから大規模構造と呼ばれる。
注2) 宇宙論モデル・宇宙論パラメータ：宇宙の誕生から現在までを物理法則に従って記述するモデル（宇宙全体の模型）を宇宙論モデルという。宇宙論モデルは、宇宙の性質を決める基本的な物理量（宇宙の全エネルギーに占めるダークマターなどの諸成分の割合、宇宙の膨張速度、宇宙初期に生成された密度ゆらぎの大きさなど）をパラメータとしてもつ。これらを総称して宇宙論パラメータという。
注3）アテルイⅡ：国立天文台が運用する天文学専用スーパーコンピュータ（Cray XC50）。岩手県奥州市の国立天文台水沢キャンパスに設置され、2018年から稼働を続ける。理論演算性能3.087ペタフロップス（1秒間に3000兆回の浮動小数点演算を行う性能）で、国内外の天文学者がアクセスし利用している。平安時代に奥州市の地域を治め活躍した蝦夷の長「阿弖流為」にちなみ、宇宙の謎に果敢に挑んでほしいという願いをこめて命名された。
注4) ニューラルネットワーク：人工知能（AI）技術のー種である機械学習で用いられるアルゴリズムの一つ。入力と出力との対応関係を複雑なネットワーク状の構造によって学習する数理モデルで、本研究では主に入力となる宇宙論パラメータと出力となるハローのパワースペクトルとの対応関係を精密に学習することでエミュレータの開発が実現した。
タイトル：Full-shape cosmology analysis of SDSS-III BOSS galaxy power spectrum using emulator-based halo model: a 5% determination of σ8（エミュレータに基づくハローモデルを用いたSDSS-III BOSS銀河パワースペクトルのフルシェイプ宇宙論解析: σ8を5％精度で決定）
著者：Yosuke Kobayashi (1,2), Takahiro Nishimichi (3,2), Masahiro Takada (2), Hironao Miyatake (4,2)
著者所属：
1 Department of Astronomy/Steward Observatory, University of Arizona, Arizona, USA
2 Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (WPI), The University of Tokyo, Chiba, Japan
3 Center for Gravitational Physics, Yukawa Institute for Theoretical Physics, Kyoto University, Kyoto, Japan
4 Kobayashi-Maskawa Institute for the Origin of Particles and the Universe (KMI), Nagoya University, Nagoya, Japan
雑誌名：Physical Review D
DOI：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevD.105.083517 (2022年4月20日掲載)
*論文のアブストラクト（Physical Review Dのページ)
https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.105.083517
*プレプリント （arXiv.org のウェブページ）
https://arxiv.org/abs/2110.06969
