大数据天文学：以一种新的方式使用统计学来解读宇宙
信用:Unsplash/CC0公共领域（神秘的地球uux.cn）据阿拉巴马大学
【菜科解读】
大数据天文学：以一种新的方式使用统计学来解读宇宙。
信用:Unsplash/CC0公共领域
（神秘的地球uux.cn）据阿拉巴马大学亨茨维尔分校（拉斯·纳尔逊）：数字时代给统计学和天文学领域都带来了巨大的好处。
然而，据阿拉巴马大学(UAH)亨茨维尔分校的物理学和天文学教授Max Bonamente博士说，大多数天文学家没有得到足够的培训，无法认识到将这些学科结合在一起所能获得的实质性好处。
他和他的同事们正致力于通过新兴的天体统计学领域的开创性研究来改变这一切。
博纳蒙特博士在《皇家天文学会月报》上发表了一篇论文，展示了概率分布中的一种创新性新扭曲，有望彻底改变宇宙学数据的解释方式。
“传统上，天文学家是糟糕的统计学家——我们喜欢‘边走边补统计数据’，”这位研究人员解释道。
“我最新的论文是一种解释系统误差的新方法。
它描述了我开发的一种新的概率分布方法，这是以前从未想过的。
这是令人讨厌的东西，但是在从观察中得出结论方面具有现实意义。
许多天文学家没有必要的数学背景来仔细做统计。
这很难，因为统计学本质上是很难的数学。
很少有人愿意花额外的时间去做这件事。
当然，并不是每个人都有这种感觉。
”
一个名为iid2022:事件数据的统计方法和副标题为照亮动态宇宙的研讨会的成功证明了这一点，该研讨会最近由阿拉巴马大学系统的UAH主办。
博纳门特博士和他的同事、空间科学助理教授赵玲玲博士组织了这次讲习班。
该会议旨在培训年轻科学家掌握分析和解释数据的适当统计方法，包括利用先进软件对样本问题进行动手协作分析。
这次会议还为天文学家和相关领域的研究人员提供了一个论坛，交流事件数据分析的最新进展。
“事件数据”是单个事件的集合——在天文学中，通常是光子，但也包括中微子或其他粒子。
这些事件可以通过统计应用作为位置(图像)、时间(如光变曲线)或能量或波长(光谱)的函数来研究。
事件也可以定义为数量的集合，例如通过测量宇宙微波背景检测到的引力波事件或星系团，宇宙微波背景是可以在宇宙中自由传播的第一束光的冷却残余。
Bonamente博士出生于意大利，1997年移居美国，是UAH大学的校友，在UAH大学获得了物理学硕士和博士学位，在那里他开发了一种称为马尔可夫链蒙特卡罗(MCMC)的统计方法用于分析宇宙事件。
MCMCs包括一类在概率分布中使用的特殊算法，概率分布是一种数学函数，给出实验中不同可能结果出现的概率。
“这些方法使得更快、更准确地分析数据成为可能，”研究人员指出。
“如今，机器学习在天文学中无处不在。
例如，我们使用MCMCs来测量哈勃常数，这在当时是一件大事。
”哈勃常数是宇宙学中最重要的数字之一，因为它告诉我们宇宙膨胀的速度。
Astrostatistics代表了天文学大数据管理和分析的未来，因为最新技术正在产生数量惊人的数据，其复杂性令人难以置信。
随着无线电、微波、红外、X射线、伽马射线、干涉仪和光学仪器中新的数据收集机制的发展，分析这些数据的挑战只会呈指数级增长，这将需要新的统计算法和技术来理解所有这些数据。
“大多数天文学家或物理学家对概率论知之甚少，更不用说统计学了，”博纳门特博士指出。
“科学家的工作应该是小心谨慎，不要屈服于寻找伟大的新成果的欲望，当它不存在的时候。
所以，把数学和天文学结合起来，对我来说是自然而然的方向。
”
天文学8大未解的谜团
1998年，哈勃太空望远镜对遥远超新星进行研究，发现宇宙在很久以前的膨胀速度低于现在。
这一具有突破性的发现让科学家陷入困惑之中，他们长久以来一直认为物质的引力逐渐减缓宇宙的膨胀速度，甚至能够导致宇宙收缩。
对宇宙加速膨胀进行解释促使科学家提出暗能量理论，正是这种能量导致宇宙加速膨胀。
暗能量 科学家认为暗能量在宇宙中的比重达到近73%，并且难以捉摸，科学家一直未能直接观测到它的存在。
科学作家阿德里安·乔表示：暗能量可能永远不会暴露其本来面目。
不过，科学家仍比较乐观，认为通过研究能够揭示暗能量的起源。
2.暗物质是什么？ 20世纪六七十年代，天文学家假设宇宙的质量可能超过可观测的质量。
华盛顿卡内基研究所的天文学家沃拉·鲁宾对星系内不同位置的恒星速度进行了研究。
发现处于星系中央的恒星速度几乎与外侧恒星的速度没有任何差异。
这一发现似乎有悖于基本的牛顿物理学定律。
按照牛顿的物理学定律，星系外侧的恒星速度应该更慢。
天文学家用一种看不见的质量解释这一现象，也就是暗物质。
虽然看不到，暗物质也拥有质量，研究人员根据其对正常物质产生的引力推断暗物质的存在。
据信，暗物质在宇宙中的比重为23%左右，只有4%的宇宙区域由正常物质构成，包括恒星、行星和人类在内。
西伯利亚永久冻土中的甲烷“厨房”形成可以喷发的土堆，形成巨大的陨石坑
（图片来源：uux.cn/Aleksandr Lutcenko，盖蒂图片社）（神秘的地球uux.cn）据美国生活科学网站（Sascha Pare）：西伯利亚各地散布着神秘的“霜丘”，有时会爆裂形成巨大的陨石坑——现在，科学家们离发现这些奇怪的驼峰爆裂的原因又近了一步。
霜丘是永久冻土的一部分，随着地表下液体的积聚而隆起。
根据俄罗斯科学院西伯利亚分院（SBRAS）正在进行的研究，两个不同的“系统”可能导致这种膨胀：开放和封闭。
在一个开放的系统中，永久冻土下的水和气体积聚会四处移动，并通过裂缝泄漏到地表。
但在一个封闭的系统中，水和气体被困在一个膨胀的口袋里，给永久冻土带来越来越大的压力。
开放系统类似于研究人员今年早些时候提出的一个想法。
在1月12日发布在EarthArXiv数据库的预印本评论中，科学家们认为，在基岩和上覆永久冻土之间移动的天然气会导致从下方融化。
这种融化在永久冻土中形成了流体可以积聚的口袋，但这些口袋并没有完全与地下或地表的气体隔绝。
随着更多的气体流入口袋，口袋会变大，导致更多的融化和压力上升，从而导致地面膨胀。
这种气体主要是产热甲烷，当有机物加热时，它可能会作为副产品不断形成。
挪威奥斯陆大学环境地球科学教授、预印本评论的主要作者Helge Hellevang告诉《生活科学》杂志：“我们称之为厨房，因为它有点像烹饪，而且会产生气体。
”。
在封闭系统中，气体和水来自基岩深处。
SBRAS的研究人员表示，流体上升并在永久冻土内形成一个口袋，“四周被冰冻的岩石包围”，因此不会泄漏。
Hellevang说，尽管开放系统和封闭系统之间存在区别，但随着永久冻土的演变，没有什么能阻止一个系统演变为另一个系统。
他说，一个开放的系统甚至可能需要关闭才能形成火山口。
科学家们仍然不确定气体是如何积聚形成霜丘的，但他们知道霜丘会自发破裂，并在永久冻土上留下巨大的洞。
亚马尔陨石坑是一个例子，宽约65英尺（20米），深165英尺（50米）。
2014年，一名直升机飞行员在距离俄罗斯北部亚马尔半岛Bovanenkovo气田26英里（42公里）处发现了这个陨石坑。
从那时起，科学家们在亚马尔和邻近的吉丹半岛又记录了七个这样的巨型陨石坑。
在亚马尔半岛西北部的俄罗斯新地米亚群岛上，一只北极熊沿着巨大的霜丘边行走。
（图片来源：uux.cn/Maximillian橱柜，通过Shutterstock提供）SBRAS的研究人员表示，霜丘“爆炸”形成陨石坑，但Hellevang不同意。
他说，爆炸需要点火源，如高热或电，但“在零下很难点燃气体”。
“这更像是火山爆发，而不是爆炸。
”Hellevang说，开放式系统可能会产生喷发所需的压力，但这需要非常低的气体流量离开系统。
他说，封闭系统更有可能引发火山爆发，因为它们会立即产生更大的压力。
Hellevang说，随着温度的升高和永久冻土的融化，这两个系统都可能有更高的喷发风险。
他说：“气候变化正在通过从顶部融化来削弱地表。
”。
在某一时刻，永久冻土变得如此之薄，以至于无法承受下面气穴的压力，这可能会引发火山爆发。
突然的天然气喷发对生活在亚马尔和吉丹半岛的人们以及天然气管道等基础设施构成了风险。
Hellevang说，另一个大问题是，“如果永久冻土是所有这些大量甲烷的盖子……那么这些陨石坑在未来也可能是更多甲烷泄漏的途径。
”他说，这可能会引发更多的变暖。
