AI jako klíč k vesmírným záhadám: Vědci s ní hledají exotickou kvarkovou hmotu v neutronových hvězdách

Vědci využili umělou inteligenci k propojení vesmírných pozorování s kvantovou fyzikou. Díky tomu mohou zkoumat interakce částic v neutronových hvězdách a hledat neznámé formy hmoty, které nelze testovat na Zemi.

Vědci využili sílu umělé inteligence k odhalení tajemství skrytých v nejhustších objektech vesmíru. Nyní dokáží odvodit kvantové interakce protonů a neutronů přímo z pozorování ve vesmíru. To je možné díky analýze dat z takzvaných „multimessenger“ událostí, jako jsou gravitační vlny z kolidujících neutronových hvězd a rentgenové záření zachycené teleskopem NASA NICER. Tyto algoritmy fungují jako vysokorychlostní zástupci, kteří rychle převádějí hvězdná data na jasný obraz toho, jak interagují subatomární částice.

„Tento výzkum představuje poprvé v oboru, kdy jsme byli schopni robustně propojit makroskopickou a mikroskopickou říši a odvodit interakce mezi neutrony a protony přímo z astrofyzikálních dat,“ uvedl Ingo Tews, fyzik z Los Alamos. „Díky umělé inteligenci a strojovému učení náš rámec umožnil vzít data z pozoruhodných astrofyzikálních jevů a odvodit složitou fyziku jaderných sil.“

Představte si hmotu tak hustou, že čajová lžička by vážila miliardy tun. To je realita uvnitř neutronové hvězdy. Navzdory jejich obrovské hmotnosti – často dvojnásobku hmotnosti Slunce – nejsou tyto hvězdné pozůstatky větší než město, což z nich činí ultimativní laboratoř pro studium hmoty pod extrémním tlakem. Zde vládne základní síla známá jako silná interakce, která drží protony a neutrony pohromadě v atomových jádrech. Pochopení toho, jak se tato síla chová při tak drtivých hustotách, bylo pro fyziky dlouho „výpočetně neřešitelným“ hlavolamem. Standardní modely by mohly vyžadovat tisíce hodin zpracování, aby dosáhly jediného řešení.

Právě zde inovativní aplikace umělé inteligence mění pravidla hry. Výzkumný tým sestavil rámec umělé inteligence, který funguje jako „superrychlý zástupce“ pro tyto složité výpočty. Tato umělá inteligence využívá pochopení základní kvantové fyziky k téměř okamžitému poskytování řešení pro vlastnosti husté hmoty. Analýzou gravitačních vln z kolidujících hvězd a rentgenového záření z teleskopů NASA může tým přesně určit sílu silné jaderné síly, která drží protony a neutrony pohromadě.

„Náš přístup otevírá nové okno do fyziky silné interakce neutronů a protonů a jejích účinků na neutronové hvězdy,“ řekl Isak Svensson, vědec z Technické univerzity v Darmstadtu a spoluvedoucí autor. „Náš rámec nám umožňuje přejít od pozorování neutronových hvězd k interakcím v husté hmotě.“

Tento přístup s duálním algoritmem využívá jeden model založený na kvantové fyzice k řešení vlastností husté hmoty a neuronovou síť k předpovídání fyzikálních charakteristik hvězdy, jako je velikost a „mačkavost“ (přílivové deformace). „Nástroje, které jsme vyvinuli, fungovaly pozoruhodně dobře – mnohem lépe, než jsme očekávali,“ uvedl Rahul Somasundaram, vědec z Los Alamos a spoluvedoucí autor. „Pro astrofyzikální data z nedávných událostí náš rámec nabízí omezení, která jsou v souladu s tím, co víme z pozemských experimentů, byť s většími nejistotami. Pro budoucí pozorování detektory nové generace, jako je Cosmic Explorer, náš přístup poskytne ještě lepší omezení, která budou skutečně silná.“