Cosmic Emulation: The Concentration-Mass Relation for wCDM Universes
暗物质主导晕的浓度-质量关系是结构形成理论所期望的基本结果之一。我们提出了一个简单的预测方案,宇宙模拟器,作为宇宙学参数的函数wCDM模型的c-M关系。该仿真器由37个单独的模型组成,每个模型都有三个嵌套的N体重力模拟。模拟器覆盖的质量范围为2 x 10^{12} M_sun < M <10^{15} M_sun,对应的红移范围为z=0 - 1。在这个质量和红移范围内,以及所研究的宇宙学参数的变化,平均晕浓度从c ~ 2到c ~ 8不等。在固定质量下的浓度分布是高斯分布,标准差为平均值的三分之一,几乎与宇宙学、质量和红移无关。我们比较结果从模拟器与以前推导的启发式分析适合的c-M关系,发现他们低估了高质量的晕浓度。利用该模拟器研究了c-M关系在目前允许的数值范围内的宇宙学依赖性,我们发现--这并不奇怪--σ_8和ω_m对其影响很大,而且暗能量状态方程参数w也有很大的影响。在一般情况下,低质量晕的浓度是更敏感的宇宙学参数的变化相比,集群质量晕。
2012-10-11 astro-ph.CO
Bayesian optimisation for Bayesian evidence (BOBE) -- a fast and efficient likelihood emulator for model selection
The University of New South Wales(新南威尔士大学);Swansea University(斯旺西大学)
BOBE是一种基于高斯过程回归的快速似然模拟器,通过贝叶斯优化减少似然评估次数,提升贝叶斯证据计算效率。
2026-01-16 astro-ph.CO gr-qc hep-ph
Attention-based Neural Network Emulators for Multi-Probe Data Vectors Part I: Forecasting the Growth-Geometry split
本文提出基于Transformer注意力机制的神经网络仿真器,用于精确建模宇宙剪切、星系-星系透镜和星系成团性相关函数,并应用于LSST第一年数据预测增长-几何分裂ΛCDM参数化,证明该方法在18维参数空间中精度均匀且能有效检验平滑暗能量假设。
2024-02-27 astro-ph.CO
CMBolic: Symbolic emulators for the Cosmic Microwave Background. I. Lensing
CEICO, Institute of Physics of the Czech Academy of Sciences(捷克科学院物理研究所);Institute of Theoretical Physics, Faculty of Mathematics and Physics, Charles University(查理大学数学物理学院理论物理研究所);Astrophysics, University of Oxford(牛津大学天体物理学系);Institute of Cosmology & Gravitation, University of Portsmouth(朴茨茅斯大学宇宙学与引力研究所)
提出CMBolic符号仿真器,通过解析函数模拟CMB透镜势功率谱,在扩展ΛCDM模型中达到与神经网络仿真器相当的精度,并将贝叶斯参数估计运行时间从2周缩短至3分钟。
2026-06-05 astro-ph.CO astro-ph.IM
High-accuracy emulators for observables in $Λ$CDM, $N_\mathrm{eff}$, $Σm_ν$, and $w$ cosmologies
我们使用仿真框架CosmoPower构建并公开发布宇宙学观测量的神经网络仿真器,包括宇宙微波背景(CMB)温度和偏振功率谱,物质功率谱,距离红移关系,重子声学振荡(BAO)和红移空间畸变(RSD)观测量,以及导出的参数。我们训练我们的仿真器上的爱因斯坦-玻尔兹曼计算获得高精度的数值收敛设置,为广泛的宇宙学模型,包括$Λ$ CDM,$w$ CDM,$Λ$ CDM+ $N_\mathrm{eff}$,和$Λ$ CDM+ $Σm_ν$。我们的CMB仿真器的准确度优于$\ell=10^4$的0.5%,足以进行第四阶段数据分析,我们的$P(k)$仿真器达到了与$k=50 \,\, \mathrm{Mpc}^{-1}$相同的准确度水平,足以进行第三阶段数据分析。我们通过在线存储库CosmoPower Organisation发布模拟器,该存储库将不断更新其他扩展的宇宙学模型。我们的模拟器加速宇宙学数据分析的数量级,使宇宙学参数提取分析,使用当前的调查数据,在笔记本电脑上进行。我们验证我们的仿真器,通过比较他们的类和CAMB和复制宇宙学参数的约束来自普朗克TT,TE,EE和CMB透镜数据,以及从阿塔卡玛宇宙望远镜数据发布4 CMB数据,暗能量调查1年星系透镜和聚类数据,重子振荡光谱调查数据发布12 BAO和RSD数据。
2023-03-02 astro-ph.CO
Attention-based Neural Network Emulators for Multi-Probe Data Vectors Part III: Modeling The Next Generation Surveys
本文提出基于点积注意力的神经网络模拟器,用于精确建模CMB温度与偏振功率谱,并验证其可满足下一代巡天实验要求。
2025-07-23 astro-ph.CO
On the accuracy of posterior recovery with neural network emulators
Kavli Institute for Cosmology(卡弗里宇宙学研究所);Astrophysics Group, Cavendish Laboratory(卡文迪许实验室天体物理学组);PhysicsX
本文研究了神经网络模拟器在贝叶斯推断中后验恢复精度的限制,并通过实验展示了即使模拟器误差达到20%仍能实现准确恢复。
2026-02-24 astro-ph.CO astro-ph.IM
Testing interacting dark energy with Stage IV cosmic shear surveys through differentiable neural emulators
本文利用神经仿真器和梯度采样加速推断,预测第四阶段宇宙剪切巡天对暗散射相互作用暗能量模型的约束,发现其振幅参数不确定性比第三阶段小约一个数量级。
2025-04-22 astro-ph.CO astro-ph.IM gr-qc
Multi-fidelity Emulator for Cosmological Large Scale 21 cm Lightcone Images: a Few-shot Transfer Learning Approach with GAN
本文提出一种基于GAN的小样本迁移学习多保真度仿真方法,通过将小尺度模拟知识迁移到大尺度光锥图像生成,在保持高精度的同时节省90%计算资源,用于SKA宇宙再电离研究。
2023-07-11 astro-ph.CO astro-ph.IM
Neural network emulator to constrain the high-$z$ IGM thermal state from Lyman-$α$ forest flux auto-correlation function
提出一种基于JAX的神经网络模拟器,利用约100组Nyx模拟和Lyman-$α$森林通量自相关函数,高效约束高红移IGM热参数,其1.0%的精度和加速的贝叶斯推断确立了测量的统计可靠性。
2024-12-20 astro-ph.CO
Constraining $f(R)$ Gravity with a $k$-cut Cosmic Shear Analysis of the Hyper Suprime-Cam First-Year Data
使用斯巴鲁Hyper Suprime-Cam(HSC)第1年的数据,我们进行了第一次$k$切割宇宙剪切分析,约束$Λ$ CDM和$f(R)$ Hu-Sawicki修正重力。为了生成$f(R)$宇宙剪切理论矢量,我们使用COLA(COmoving Lagrangian Acceleration)模拟训练的物质功率谱模拟器。$k$ -切割方法被用来显着降低权重的灵敏度,小尺度($k > 1 \ h {\rm Mpc }^{-1}$)模式的物质功率谱中的仿真器是不太准确的,同时确保我们的结果是强大的重子反馈模型的不确定性。我们还开发了一个测试,以确保模型化不良的小尺度的影响被归零。对于$Λ$ CDM,我们发现$S_8 = σ_8 (Ω_m / 0.3) ^ {0.5} = 0.789 ^{+0.039}_{-0.022}$,而对$f(R)$修改的重力参数的约束是先验支配的。在未来,$k$切割方法可用于约束大量的重力理论,其中计算限制使得将物质功率谱建模到极小尺度是不可行的。
2021-10-21 astro-ph.CO
Cosmic-Enu: An emulator for the non-linear neutrino power spectrum
本文基于 FlowsForTheMasses 非线性微扰理论和 Mira-Titan IV 模拟器,构建了名为 Cosmic-Enu 的非线性中微子功率谱模拟器,能在毫秒级时间内高精度预测大范围宇宙学参数下的中微子聚团,并揭示非线性效应对小尺度中微子质量敏感性的增强作用。
2023-11-19 astro-ph.CO
An emulator for the Lyman-$α$ forest in beyond-$Λ$CDM cosmologies
解释观测的莱曼- $α$森林通量功率谱需要少量昂贵的模拟之间的插值。我们提出了一个高斯过程仿真器建模的1D通量功率谱的小尺度线性物质功率谱的振幅和斜率的函数,和感兴趣的时代($2 < z < 4$)的星系际介质的状态。这种参数化使扩展的宇宙学模型中的通量功率谱的预测,没有明确包括在训练集中,消除了需要构建定制的仿真器的一些扩展到$Λ$ CDM。我们的模拟器是适当的宇宙学中的线性物质功率谱被描述为百分比水平的准确性,只是一个振幅和斜率跨越时代的利益,并在该制度探测的eBOSS/DESI数据。我们证明了这一点的大规模中微子宇宙学,模拟器是能够预测的通量功率谱在$Σm_ν=0.3$ eV中微子宇宙学次百分之准确度,不包括大规模中微子的训练模拟。需要更多的参数来描述具有线性幂的尖锐特征的模型,例如温暖或轻的轴子暗物质。这项工作将促进即将到来的DESI数据与宇宙微波背景的观测相结合,以获得中微子质量和其他扩展$Λ$ CDM宇宙学的约束。
2021-05-14 astro-ph.CO
nuGAN: Generative Adversarial Emulator for Cosmic Web with Neutrinos
Institute of Computing and Cybersystems, Michigan Technological University(密歇根理工大学计算与网络系统研究所);Department of Physics, Michigan Technological University(密歇根理工大学物理系)
nuGAN通过生成对抗网络模拟不同中微子质量下的宇宙结构,实现高精度的宇宙网生成,为宇宙学预测提供新方法。
2025-05-06 astro-ph.CO astro-ph.IM
Cosmology from the integrated shear 3-point correlation function: simulated likelihood analyses with machine-learning emulators
本文构建含系统误差建模与神经网络模拟器的 $ζ_{\pm}$ 似然分析流程,并在 DES Y3 式模拟中验证其无偏性及约10–25%的约束增益。
2023-07-14 astro-ph.CO
Emulating Simulations of Cosmic Dawn for 21cm Power Spectrum Constraints on Cosmology, Reionization, and X-ray Heating
目前和即将进行的射电干涉测量实验的目标是对宇宙氢再电离和X射线加热时期的高红移21厘米波动信号进行统计表征。然而,将21 cm统计数据与基础物理参数联系起来是复杂的,因为理论上的挑战是以足够快的计算速度对相关物理进行建模,以探索高维和弱约束的参数空间。在这项工作中,我们使用机器学习算法来构建一个快速仿真器,该仿真器可以在很宽的参数空间内高精度地模拟21 cm信号的昂贵仿真。我们将我们的仿真器嵌入到马尔可夫链蒙特卡罗框架中,使其能够探索大量模型参数的后验分布,包括那些控制再电离时代,X射线加热时代和宇宙学的参数。作为一个工作的例子,我们使用我们的模拟器提出了一个更新的参数约束预测的氢时代的再电离阵列实验,表明其表征的基准21厘米功率谱将大大缩小允许的参数空间的再电离和加热参数,并可能有助于加强普朗克的约束$σ_8$。我们提供了我们的广义仿真器代码和它的实现,特别是21厘米的参数约束作为公开可用的软件。
2017-10-24 astro-ph.CO astro-ph.GA
Super-resolution emulator of cosmological simulations using deep physical models
我们提出了一个扩展我们最近开发的Wasserstein优化模型,以模拟准确的高分辨率的功能,从计算上更便宜的低分辨率宇宙学模拟。我们的深层物理建模技术依赖于受限神经网络来执行低分辨率宇宙密度场到高分辨率小尺度结构空间的分布映射。我们约束我们的网络使用一个单一的高分辨率的初始条件和相应的低分辨率和高分辨率的演变暗物质模拟的Quijote套件。我们利用高分辨率的初始条件的信息内容作为一个良好的构造先验分布的网络模拟的小规模的结构。一旦拟合,我们的物理模型以低计算成本产生模拟的高分辨率模拟,同时还提供了一些关于大尺度模式如何影响真实空间中小尺度结构的见解。
2020-05-20 astro-ph.CO
CosmoPower-JAX: high-dimensional Bayesian inference with differentiable cosmological emulators
Université de Genève(日内瓦大学);University College London(伦敦大学学院)
CosmoPower-JAX基于JAX构建宇宙学功率谱神经模拟器,利用自动微分和GPU加速高维贝叶斯参数推断,在Stage IV模拟中比标准方法快数个数量级。
2023-06-22 astro-ph.CO astro-ph.IM cs.LG
Simulation based inference of the ionization history from the 2D 21 cm power spectrum
Imperial College London(帝国理工学院);Max-Planck-Institut für Radioastronomie(马克斯·普朗克射电天文研究所)
通过21厘米2D功率谱模拟推断早期宇宙中中性分数变化,比较两种方法在推断天体物理参数和离子化历史中的性能。
2026-03-26 astro-ph.CO
Comparison of Bayesian inference methods using the Loreli II database of hydro-radiative simulations of the 21-cm signal
本文利用近万组21厘米信号模拟数据库Loreli II,比较功率谱仿真器、神经密度估计器和贝叶斯神经网络三种推断方法,发现显式高斯似然在当前噪声水平下已足够,并将其应用于HERA数据得到对X射线发射率的弱约束。
2024-11-05 astro-ph.CO
$\texttt{21cmLSTM}$: A Fast Memory-based Emulator of the Global 21 cm Signal with Unprecedented Accuracy
本研究提出基于LSTM的全球21厘米信号模拟器$\texttt{21cmLSTM}$,利用频率通道关联实现0.22%的平均相对均方根误差,可支撑高精度贝叶斯参数推断,相关资源已公开。
2024-10-10 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.IM
21cmVAE: A Very Accurate Emulator of the 21-cm Global Signal
相当多的观测工作正在致力于测量来自宇宙黎明和再电离时代的中性氢的天空平均(全球)21厘米信号。推导这个时代的天体物理学观测约束需要建模工具,可以快速,准确地生成理论信号在广泛的天体物理参数空间。为此目的,人工神经网络被用来创建仅有的两个现有的全球信号仿真器,21cmGEM和globalemu。在本文中,我们介绍了21cmVAE,一个基于神经网络的全局信号仿真器,与其他两个仿真器在相同的约30,000个全局信号数据集上进行训练,但具有更直接的预测算法,优先考虑准确性和简单性。使用神经网络,我们计算相对于天体物理参数的信号的导数,并建立最重要的天体物理过程,驱动全球21厘米信号在不同的时代。21cmVAE的平均相对均方根误差仅为0.34(相当于0.54 mK),与现有仿真器相比有了显著改进,每个参数集的运行时间为0.04秒。模拟器、代码和处理后的数据集可在https://github.com/christianhbye/21cmVAE和https://zenodo.org/record/5904939上公开获取。
2022-04-16 astro-ph.CO astro-ph.IM
Effort: a fast and differentiable emulator for the Effective Field Theory of the Large Scale Structure of the Universe
本文发布快速可微的 EFTofLSS 仿真器 Effort,结合先进数值方法与预处理策略,并通过与 pybird 的贝叶斯后验对比验证其高精度与高效率。
2025-01-08 astro-ph.CO astro-ph.IM
Emulating the Global 21-cm Signal from Cosmic Dawn and Reionization
中性氢的21厘米信号是探测再电离期和宇宙黎明的灵敏探针。目前运行的射电望远镜已经迎来了一个数据驱动的21厘米宇宙学时代,为驱动这种信号的源的天体物理特性提供了第一个约束。然而,从数据中提取天体物理信息是非常重要的,需要在广泛的天体物理参数范围内快速生成理论模板。为此,通常采用仿真器,以前的努力集中在预测功率谱上。在这项工作中,我们介绍了21厘米GEM-全球21厘米信号的第一个模拟器从宇宙黎明和EoR。输出信号的平滑度通过设计得到保证。我们训练神经网络来预测宇宙学信号,使用的数据库约30,000模拟信号,通过改变7个天体物理参数创建:恒星形成效率和恒星形成晕的最小质量;第一X射线源的效率及其光谱参数化的光谱指数和低能量截止;电离光子的平均自由程和CMB光学厚度。我们用一组约2,000个模拟信号测试了性能,表明预测中的相对误差具有r.m.s. 0.0159该算法是有效的,每个参数集的运行时间为0.16秒。最后,我们使用模型数据库来检查我们以前报告的全球信号的特征和天体物理参数之间的关系的鲁棒性。
2020-05-28 astro-ph.CO
A GPR-Based Emulator for Semi-numerical Reionization Code SCRIPT: Parameter Inference from 21 cm Data
本研究针对半数值再电离代码SCRIPT参数推断计算量大的问题,提出基于GPR的似然模拟器,结合低分辨率模拟定位高概率区构建训练集,将计算时间降低约一个数量级,且后验结果与传统方法吻合良好。
2024-02-02 astro-ph.CO astro-ph.IM
The Mira-Titan Universe II: Matter Power Spectrum Emulation
我们介绍了一个新的宇宙模拟器的物质功率谱覆盖八个宇宙学参数。针对光学巡天,该模拟器提供了波数k~5/Mpc和红移z ≤ 2的精确预测。除了涵盖标准的LCDM参数集,大量的中微子和动态的暗能量的状态。模拟器是建立在一个样本集的36个宇宙学模型,精心挑选,以提供准确的预测在广泛和大的参数空间。对于每个模型,我们都进行了高分辨率模拟,并增加了16个中等分辨率模拟和TimeRG微扰理论结果,以提供广泛k范围的准确覆盖;作为该项目的一部分,生成的数据集超过1.2Pbyte。使用当前的模拟模型集,我们实现了约4%的准确度。由于这里使用的采样方法已经建立了收敛和误差控制特性,后续的结果与100多个宇宙学模型将很快达到~1%的精度。我们比较我们的方法与其他预测方案的基础上晕模型的想法和重新映射的方法。新的模拟器代码是公开的。
2017-05-09 astro-ph.CO
Bayesian Deep Gaussian Processes for Correlated Functional Data: A Case Study in Cosmological Matter Power Spectra
Elms College(埃尔姆斯学院);Virginia Tech(弗吉尼亚理工大学);Los Alamos National Laboratory(洛斯阿拉莫斯国家实验室);Argonne National Laboratory(阿贡国家实验室)
提出贝叶斯深度高斯过程分层模型,综合多保真度模拟数据估计物质功率谱并量化不确定性,利用基函数表示训练独立GP模拟器预测新宇宙学下的功率谱。
2026-06-08 astro-ph.CO astro-ph.IM stat.AP
A complete framework for cosmological emulation and inference with CosmoPower
本研究构建了基于CosmoPower的可复用Python宇宙学模拟推断框架,制定模拟器标准与自动化工具,配套CAMB相关高精度模拟器,可大幅提速分析且精度满足第四阶段观测需求。
2024-05-13 astro-ph.CO astro-ph.IM
Field Level Neural Network Emulator for Cosmological N-body Simulations
Max-Planck-Institut für Astrophysik(马克斯·普朗克天体物理研究所);Stony Brook University(石溪大学);Flatiron Institute(熨斗研究所);Universidade Federal do Espírito Santo(圣埃斯皮里图联邦大学);Princeton University(普林斯顿大学);Simons Foundation(西蒙斯基金会)
构建基于卷积神经网络的宇宙结构形成场级模拟器,通过风格参数编码宇宙学依赖性,在非线性区域实现高精度且可微的快速场级推断。
2022-06-14 astro-ph.CO cs.LG
GLOBALEMU: A novel and robust approach for emulating the sky-averaged 21-cm signal from the cosmic dawn and epoch of reionisation
用神经网络模拟全球(天空平均)21厘米信号已被证明是物理信号建模的重要工具。在本文中,我们提出了globalemu,全球21厘米信号模拟器,使用红移作为一个字符定义变量旁边的一组天体物理参数来估计信号亮度温度。结合物理驱动的数据预处理,这使得一个可靠和快速的仿真器,是相对不敏感的网络设计。globalemu可以在1.3 ms内仿真高分辨率信号,而使用现有的公共技术水平的21 cmGEM时,仿真时间为133 ms,提高了102倍。我们举例说明,与标准的天体物理模型用于训练21厘米GEM,globalemu是几乎两倍的准确性和一组测试的$\approx1,700$信号,我们实现了平均RMSE为2.52 mK的整个频带z=7-28($\approx$ 10%的预期噪声的无线电实验宇宙氢的分析(REACH))。模型参数包括恒星形成效率$f_*$、最小维里圆速度$V_c$、X射线效率$f_X$、CMB光学厚度$τ$、X射线谱能量密度的斜率和低能截止值$α$和$ν_\mathrm{min}$以及电离光子的平均自由程$R_\mathrm{mfp}$。globalemu提供了一个灵活的框架,可以轻松模拟全局信号的更新模拟以及中性分数历史。该模拟器可点式安装,可在以下网址获得:\url{https://github.com/htjb/globalemu}。globalemu将被REACH协作广泛使用…
2021-10-15 astro-ph.CO astro-ph.IM
Attention-Based Neural Network Emulators for Multi-Probe Data Vectors Part II: Assessing Tension Metrics
本文提出一种基于注意力的神经网络模拟器架构,通过生成大规模训练数据集与超参数优化,在宽先验范围下实现了高精度宇宙学推断,并应用于校准张力指标。
2024-03-19 astro-ph.CO astro-ph.IM
Bayesian Comparison of the Cosmic Duality Scenarios
宇宙距离对偶关系(CDDR),$D_{\rm L}(1+z)^{-2}/D_{\rm A}=η=1$,其中$D_{\rm L}$和$D_{\rm A}$,分别是光度和角直径距离,是宇宙学场景中的一个重要前提。许多研究试图通过观察方法来测试CDDR,甚至其中一些也考虑了变形的CDDR,即,$η=η(z)$。在本文中,我们使用Ia型超新星的光度距离和星系团的测量(它们的角直径距离和气体质量分数),以执行$ η(z) $函数之间的贝叶斯模型比较。我们表明,这里使用的数据是无法查明,与贝叶斯证据的高度,$η(z)$功能最好的捕获CDDR的演变。
2020-09-14 astro-ph.CO
Slow neutrinos: non-linearity and momentum-space emulation
South-Western Institute for Astronomy Research, Yunnan University(西南天文研究所,云南大学);Yunnan Key Laboratory of Survey Science, Yunnan University(云南省测绘科学重点实验室,云南大学);Department of Strategic & Advanced Interdisciplinary Research, Peng Cheng Laboratory(鹏城实验室战略与先进交叉研究部)
本文提出FAST-nu f方法,用于研究大质量中微子的尺度依赖性聚类,通过非线性扰动理论提升模拟精度,改进了慢中微子的动量分辨率,并扩展了模拟器适用于不同中微子质量顺序。
2026-03-05 astro-ph.CO
Learning the Universe: $3\ h^{-1}{\rm Gpc}$ Tests of a Field Level $N$-body Simulation Emulator
本文在3 h⁻¹Gpc体积中测试了场级N体模拟模拟器,该模拟器通过机器学习修正线性ZA场,与N体模拟统计一致性约5%,生成速度快千倍,为大规模宇宙学推断提供工具。
2025-02-18 astro-ph.CO astro-ph.GA
COSMOPOWER: emulating cosmological power spectra for accelerated Bayesian inference from next-generation surveys
我们提出了$\it{CosmoPower}$,一套神经宇宙学功率谱仿真器提供的数量级加速参数估计从两点统计分析的大尺度结构(LSS)和宇宙微波背景(CMB)调查。仿真器取代玻尔兹曼代码的物质和CMB功率谱的计算,因此,他们不需要重新训练不同的选择天体物理学的滋扰参数或红移分布。在波数范围$k \in [10^{-5}, 10] \, \mathrm{Mpc}^{-1}$内,对红移$z \in [0, 5]$的物质功率谱仿真误差小于$0.4\%$。$\it{CosmoPower}$模拟CMB温度,偏振和透镜潜在的功率谱在$5σ$区域的参数空间周围的$\it{Planck}$最佳拟合值与误差$\lesssim 10\%$的预期散粒噪声为即将到来的西蒙斯天文台。$\it{CosmoPower}$被展示在来自千度巡天的宇宙剪切和星系聚类分析的联合分析上,以及在第四阶段类似$\it{Euclid}$的模拟宇宙剪切分析上。对于CMB情况,在$\it{Planck}$ 2018 CMB温度和偏振分析上测试$\it{CosmoPower}$。仿真器总是恢复基准宇宙学约束的差异小于采样噪声的后验,同时提供一个加速因子高达$O(10^4)$的完整的推理流水线。正如我们在$\it{Planck}$似然情况下所证明的那样,这种加速允许在几秒钟内恢复后验分布。$\it{CosmoPower}$完全用Pyth…
2022-01-31 astro-ph.CO astro-ph.IM
Cosmic Inference: Constraining Parameters With Observations and Highly Limited Number of Simulations
宇宙学探测提出了一个逆问题,即通过观测获得测量结果,目的是推断表征底层物理系统-我们的宇宙-的模型参数值。现代宇宙学探测器越来越依赖于小尺度结构的测量,而在这些尺度(大约65 Mpc/h或更小)上精确建模物理行为的唯一方法是通过昂贵的数值模拟。在本文中,我们提供了一个新的统计框架,获得准确的参数约束相结合的观测与数量非常有限的宇宙学模拟的详细描述。该框架利用多输出高斯过程仿真器,自适应构建使用贝叶斯优化方法。我们比较了几种方法来构建多输出仿真器,使我们能够考虑到可能的输出间的相关性,同时保持推理所需的效率。使用莱曼α森林通量功率谱,我们证明了我们的自适应方法需要相当少的-由几个因素在莱曼α P(k)的情况下考虑在这里-仿真相比,基于拉丁超立方体采样,该方法是更强大的重建参数和贝叶斯可信区间。
2019-05-17 astro-ph.CO astro-ph.IM
Bayesian Cosmic Web Reconstruction: BARCODE for Clusters
我们描述了贝叶斯条形码形式主义,已被设计为在一个给定的体积的基础上采样的星系团分布的宇宙网络的重建。基于这样的认识,即大质量致密星系团是形成宇宙网中各向异性,特别是无规特征的大尺度潮汐力场的主要部分。由于非线性的集群配置所施加的约束,我们诉诸于一个国家的最先进的约束重建技术,找到一个适当的统计采样实现的原始初始密度和速度场在同一宇宙区域。最终,这些初始条件的后续引力演化可以在适当的分析模型或N体计算机模拟的基础上进行。BARCODE形式主义包括对红移空间畸变的隐式处理。这使得直接重建的基础上的观测数据,而不需要对红移空间伪影的校正。在这方面的贡献,我们提供了一个总体概述的宇宙网络连接集群和贝叶斯条形码形式主义的描述。最后,我们介绍了它的成功运作方面的测试运行的基础上模拟的大尺度物质分布,在物理空间以及在红移空间。
2016-11-03 astro-ph.CO
Local non-Gaussianity in the Cosmic Microwave Background the Bayesian way
本文介绍了一种精确贝叶斯方法来搜索宇宙微波背景(CMB)辐射数据中的局域型非高斯性。使用模拟CMB温度图,新开发的技术相比,对传统的frequentist双谱估计。从联合概率分布出发,我们得到了给定数据的原始扰动的条件概率的解析表达式,以及给定数据和扰动的非高斯性水平f_nl的解析表达式。我们提出哈密顿蒙特卡罗采样作为一种手段,以获得实现的原始波动,我们反过来采样f_nl。虽然计算昂贵,这种方法使我们能够准确地构建完整的目标后验概率分布。与频率估计相比,将贝叶斯方法应用于高斯CMB图提供了一致的结果。然而,对于非高斯映射的分析,f_nl上的误差条在贝叶斯框架内不显示过多的方差。鉴于普朗克卫星飞行任务即将获得高精度的宇宙微波背景辐射测量结果,这一发现具有特别重要的意义。
2010-10-06 astro-ph.CO
Impact & Mitigation of Polarized Extragalactic Foregrounds on Bayesian Cosmic Microwave Background Lensing
针对未来偏振主导的CMB透镜测量场景,研究量化了河外偏振前景对贝叶斯透镜重建的影响,提出联合拟合方法以缓解更远期实验的前景偏差。
2025-05-18 astro-ph.CO
Testing $f(R)$ Gravity from Cosmic Shear Measurements
本研究利用DES-Y3、KiDS-1000和HSC-Y3宇宙剪切数据及FREmu仿真器约束Hu-Sawicki f(R)引力模型,结合外部数据将参数上限提升至95%置信水平下的-4.98。
2025-10-10 astro-ph.CO gr-qc
Bayesian large-scale structure inference: initial conditions and the cosmic web
我们描述了一个创新的统计方法从头算同时分析的形成历史和形态的大尺度结构的非均匀宇宙。我们的算法探讨了联合后验分布的许多数以百万计的参数,通过有效的汉密尔顿马尔可夫链蒙特卡罗采样。我们描述了它的应用程序的斯隆数字巡天数据发布7和一个额外的非线性滤波步骤。我们说明了使用我们的研究结果的宇宙网络分析:通过潮汐剪切分析和推断的暗物质空隙的结构识别。
2014-10-06 astro-ph.CO
COSMIC BIRTH: Efficient Bayesian Inference of the Evolving Cosmic Web from Galaxy Surveys
我们介绍宇宙诞生:用理论模型从贝叶斯推断重建的宇宙学初始条件:从光锥上的星系巡天重建原始和演化的宇宙密度场的算法。在给定初始宇宙密度场的情况下,采用吉布斯采样方案,通过正演模拟得到了不同红移快照下的位移场和奇异速度场。这使我们能够映射星系,观察到的光锥,一个单一的高红移,从而提供示踪剂和相应的调查完整性在拉格朗日空间,包括相空间映射。这些拉格朗日示踪剂反过来又使我们能够有效地获得原始密度场,使宇宙诞生代码通用于任何结构形成模型。我们的试验暂时限于增广拉格朗日微扰理论。我们展示了如何稳健地计算非线性拉格朗日偏差的聚类测量的数值方法,使我们能够得到公正的暗物质领域重建在初始宇宙时间。我们还表明,我们可以很大程度上恢复的暗物质场的信息,从星系分布的基础上详细的模拟。新的关键成分,这种方法是一个高阶哈密顿采样技术和非对角哈密顿质量矩阵。该技术可用于研究星系巡天中的欧拉星系偏差,并可能成为理想的重子声学重建技术。总之,这种方法代表了一种通用的重建技术,包括在一个自我一致的方式的调查掩模,非线性和非本地的偏见和红移空间失真,效率约10倍优于以前的可比方法。
2020-12-03 astro-ph.CO
On the Evidence for Cosmic Variation of the Fine Structure Constant (I): A Parametric Bayesian Model Selection Analysis of the Quasar Dataset
我们回顾了最近声称的精细结构常数的空间变化背后的证据来自遥远的类星体的光中的离子吸收线的观测。为此,我们扩大了以前的非贝叶斯分析的限制,一个公正的假设和严格的正态分布的基准类星体数据集的“无法解释的错误”。通过反向逻辑回归技术,我们估计和比较三个竞争假设的边际似然性--(i)零假设(没有宇宙变化),(ii)宇宙变化假说(一个恒定的地球到类星体的偏移量),和(iii)π +偶极子假设(对于地球上的观测者来说,宇宙变化表现为南北发散)-在各种候选参数形式下的无法解释的误差项。我们的分析表明,弱支持怀疑的解释,其中的表观偶极子效应是纯粹由系统误差的相反的符号固有的测量,从两个望远镜获得这些意见。在整个过程中,我们寻求“最佳实践”的方法贝叶斯模型选择与先验敏感性分析,在一个配套文件中,我们扩展这种方法的半参数框架,使用无限维狄利克雷过程。
2013-09-11 astro-ph.CO
FREmu: Power Spectrum Emulator for $f(R)$ Gravity
针对第四阶段巡天研究广义相对论外引力模型非线性宇宙结构的需求,本研究提出公共模拟器FREmu,基于Quijote-MG模拟套件,利用主成分分析和神经网络快速精确预测Hu-Sawicki $f(R)$引力模型的非线性功率谱,7维参数空间下多数情况精度超95%,助力高效参数约束。
2024-06-05 astro-ph.CO astro-ph.IM
Bayesian ICA-based source separation of Cosmic Microwave Background by a discrete functional approximation
介绍了一种实现贝叶斯源分离分析的函数逼近方法,并将其应用于WMAP数据的宇宙微波背景(CMB)分离。这种近似允许在WMAP和普朗克数据的尺度上进行易于处理的全天空地图重建,并通过高斯马尔可夫随机场先验来模拟源的空间平滑度。它比通常的MCMC方法快几个数量级。文中还讨论了近似的性能和局限性。
2011-01-19 astro-ph.CO stat.AP
Cutting corners: Hypersphere sampling as a new standard for cosmological emulators
本文提出超球面采样方法,将训练数据集中在高似然区域,以显著减少宇宙学仿真器所需数据点并提升精度,在ΛCDM及高维扩展模型上验证其高效性。
2024-05-02 astro-ph.CO astro-ph.IM hep-ph
Design and optimization of neural networks for multifidelity cosmological emulation
University of California, Riverside(加州大学河滨分校);Department of Physics & Astronomy, University of California, Riverside(加州大学河滨分校物理与天文系);Department of Physics, University of Michigan(密歇根大学物理系);Leinweber Center for Theoretical Physics(莱因韦伯理论物理中心);The University of Texas at Austin(德克萨斯大学奥斯汀分校)
本文提出T2N-MusE框架,通过多保真度架构和优化策略提升神经网络在宇宙学模拟中的效率与精度。
2026-02-10 astro-ph.CO astro-ph.IM
Wavelet-Bayesian inference of cosmic strings embedded in the cosmic microwave background
宇宙弦是对标准宇宙学模型的一个很好的扩展,除了标准的暴胀分量外,它还可以在宇宙微波背景(CMB)的各向异性中引入次优势分量。弦的探测虽然在观测上具有挑战性,但它将提供一个在非常高的能量尺度上的物理学的直接探测。我们开发了一个新的框架宇宙弦推断,构建贝叶斯分析小波空间中的弦引起的CMB组件具有不同的统计特性的标准暴胀组件。我们的小波贝叶斯框架提供了一个原则性的方法来计算后验分布的弦张力$Gμ$和贝叶斯证据比比较字符串模型的标准暴胀模型。此外,我们提出了一种技术来恢复估计的任何字符串引起的CMB地图嵌入在观测数据。使用普朗克模拟,我们展示了我们的框架的应用程序,并评估其性能。该方法是敏感的$Gμ\sim 5 \times 10^{-7}$的南部-后藤字符串模拟,包括一个集成的萨克斯-沃尔夫(ISW)的贡献,不包括任何重组的影响,在任何参数的分析进行优化。该方法的灵敏度相比,与其他技术适用于相同的模拟。
2017-09-15 astro-ph.CO astro-ph.IM
Investigating Cosmological GAN Emulators Using Latent Space Interpolation
生成对抗网络(GANs)是近年来发展起来的一种用于大尺度结构仿真的新型仿真技术。最近的研究结果表明,GANs可以作为一种快速,高效和计算成本低廉的仿真器,用于产生新的弱透镜收敛图以及2-D和3-D的宇宙网络数据。然而,与任何算法一样,GAN方法也有一系列限制,例如不稳定的训练过程和所产生输出的固有随机性。在这项工作中,我们采用了机器学习文献中常用的一些技术来解决上述限制。特别是,我们训练一个GAN,以产生弱透镜收敛图和暗物质过密度场数据的多重红移,宇宙学参数和修改后的重力模型。此外,我们训练一个GAN使用最新的Illustris数据,同时模拟暗物质,气体和内能分布数据。最后,我们采用隐空间插值技术来控制算法产生的输出。我们的结果表明,GAN产生的功率谱与训练数据样本之间存在1-20%的差异,这取决于所使用的数据集以及是否应用了高斯平滑。最后,最近对生成模型的研究表明,这种算法可以被视为从低维输入(潜在)空间到高维(数据)流形的映射。我们探索这样的理论描述作为一种工具,更好地理解潜在的空间插值过程。
2021-06-29 astro-ph.CO astro-ph.IM physics.comp-ph
New limits on light dark matter - proton cross section from the cosmic large-scale structure
我们使用莱曼α森林追踪的大尺度结构,对DM质量$m = 10\,\mathrm{keV}$到$100\,\mathrm{GeV}$的速度无关暗物质(DM)-质子横截面$σ$设定了迄今为止最强的限制:例如,$m = 100\,\mathrm{keV}$的95%下限$σ< 6 \times 10^{-30}\,\mathrm{cm}^2$。我们的研究结果补充了直接检测,这对亚GeV DM的灵敏度有限。我们使用一个模拟器的宇宙学模拟,结合数据从最小的宇宙尺度使用的日期,建模和搜索原始DM质子碰撞的印记。宇宙学边界被提高了25倍。
2022-04-04 astro-ph.CO hep-ph
Bayesian forward modelling of cosmic shear data
我们提出了一个贝叶斯分层建模方法来推断宇宙物质密度场,透镜和物质功率谱,从宇宙剪切数据。该方法使用宇宙结构形成的物理模型来推断物理上合理的宇宙结构,该模型解释了引力演化物质分布和光锥效应的非高斯特征。我们测试和验证我们的框架与现实的模拟剪切数据,表明该方法恢复无偏的物质分布和正确的透镜和物质功率谱。虽然宇宙学是固定的,在这个测试中,该方法采用了事先的功率谱,我们证明了透镜的结果是敏感的真实功率谱时,这不同于以前的。在这种情况下,密度场样本以偏离先验的功率谱生成,并且该方法恢复真实的透镜功率谱。该方法还恢复了整个天空的物质功率谱,但如目前所实现的,它不能确定径向功率,因为各向同性不强加。总之,我们的方法提供了物理上合理的推断宇宙剪切数据的暗物质分布,使我们能够提取信息超出两点统计和利用宇宙学领域的全部信息内容。
2021-01-21 astro-ph.CO astro-ph.IM
Bayesian analysis of spatially distorted cosmic signals from Poissonian data
从星系计数重建物质密度场是当前文献中经常讨论的问题。两个主要的误差来源是星系计数产生的散粒噪声和对星系正确位置的不充分认识,这是由特殊的速度和红移测量的不确定性造成的。在这里,我们解决重建问题的泊松采样对数正态密度场的速度失真的贝叶斯方式通过最大后验方法。我们测试我们的算法在一个1D玩具的情况下,发现显着的改善相比,简单的数据反演。特别是,我们解决了以下问题:光度红移,编码掩模系统中的扩展源的映射,从红移空间星系分布的实空间重建和不同点扩散函数的数据的组合分析。
2010-06-15 astro-ph.CO astro-ph.IM
21cmEMUv3: a hybrid diffusion-LSTM emulator of 21cmFAST summary observables
Research Center for the Early Universe, Graduate School of Science, The University of Tokyo(早期宇宙研究中心,东京大学研究生院);Department of Physics, Graduate School of Science, The University of Tokyo(东京大学研究生院物理系);Scuola Normale Superiore (SNS), Piazza dei Cavalieri 7, Pisa(普拉蒂亚学院(SNS),比萨);Physics Department, Stellenbosch University(斯坦福博斯奇大学物理系);Cosmic Dawn Center (DAWN)(黎明宇宙中心(DAWN));Niels Bohr Institute, University of Copenhagen(哥本哈根大学尼尔斯·波尔研究所);SISSA, Via Bonomea 265, 34136 Trieste(SISSA,特里斯特);INFN Sezione di Trieste(INFN特里埃斯特分部);Centro Nazionale di Ricerca in High Performance Computing, Big Data e Quantum Computing(高性能计算、大数据和量子计算国家研究中心);Physics Department, Blackett Lab, Imperial College London(伦敦帝国理工学院布莱特实验室物理系)
提出混合扩散-LSTM仿真器21cmEMUv3,基于21cmFASTv3模拟,以高精度仿真21cm功率谱等七个概要可观测量,并用于重新解释HERA观测上限和预测SKA探测能力。
2026-05-29 astro-ph.CO astro-ph.GA cs.LG
KiDS-1000 Cosmology: machine learning -- accelerated constraints on Interacting Dark Energy with COSMOPOWER
我们从Kilo-Degree Survey和$\it{Planck}$ 2018宇宙微波背景数据的公共$\sim$ 1000 deg $^2$宇宙剪切测量中获得了对具有纯动量交换的耦合精粹模型的约束。我们将此模型与$Λ$ CDM进行了比较,发现了相似的$χ^2$和对数证据值。我们加速参数估计源宇宙功率谱的神经网络仿真器COSMOPOWER。我们强调这种基于仿真器的方法,以减少未来类似的分析,特别是从第四阶段调查的计算运行时间的必要性。作为一个例子,我们提出了MCMC预测相同的耦合的精粹模型的$\it{Euclid}$类调查,揭示耦合的精粹参数和重子反馈和内在的对齐参数之间的简并,但也突出了约束功率第四阶段调查将实现大幅增加。使用COSMOPOWER可以在几个小时内获得轮廓,而使用玻尔兹曼代码则需要几个月。
2022-02-24 astro-ph.CO astro-ph.IM gr-qc