麦克威廉姆斯中心更名反映了研究范围的扩大

物理学教授蒂齐亚娜·迪·马特奥（Tiziana Di Matteo）（opens in new window）正在领导解开宇宙起源并解码支配宇宙运作的基本原理的努力。作为卡内基梅隆大学麦克威廉姆斯宇宙学和天体物理学中心（opens in new window）的主任，她正在制造引力波。

天体物理学现在是该中心名称的一部分，反映了其新的研究方向。

“名称的改变不仅反映了对更传统的天文学的扩展，也反映了引力波领域的扩展。宇宙学是对整个宇宙的研究。它回答了我们起源的故事以及一切是如何开始的，“迪马特奥说。“当我们想到天体物理学时，我们想到的是理解宇宙的组成部分：星系是如何形成的？黑洞在做什么？宇宙的组成部分如何表现和生长？

望远镜和引力波探测器的进步在天文学领域掀起了一场数据革命。大规模的光谱调查，如暗能量光谱仪器（opens in new window） （DESI） 调查，可生成 PB 级的信息。

“黑洞是我们最大的智力挑战之一，为了调和我们对宇宙中最大结构的理解与最小的和其他现象，我们需要来自许多来源的数据和信息，”迪马特奥说。

理解数万亿个数据点需要团队的努力。麦克威廉姆斯中心的研究处于天体物理学、数据科学、人工智能（AI）和机器学习的十字路口。麦克威廉姆斯中心的成员不仅在卡内基梅隆大学物理系，而且在统计与数据科学系（opens in new window） 和机器学习系（opens in new window）进行跨学科合作。

连接天体物理学家和人工智能

卡内基梅隆大学物理系主任、美国国家科学基金会物理学数据驱动发现人工智能规划研究所（opens in new window）首席研究员斯科特·多德尔森（Scott Dodelson）说，卡内基梅隆大学的天体物理学家和人工智能研究人员之间的联系已经持续了几十年。

“从分析从整个夜空收集的数据到对细胞中的单个蛋白质进行建模，物理学为研究人员在推进人工智能技术时提供了复杂的用例和深刻的问题，”Dodelson说。“卡内基梅隆大学以我们在计算机科学和人工智能方面的专业知识而闻名。由于我们的跨学科方法，麦克威廉姆斯中心已经为大型合作做出了重大贡献。

物理学教授鲁珀特·克罗夫特（Rupert Croft） 帮助组织了展示人工智能辅助跨学科研究的会议。他说，物理学和计算机科学的基础工作进展迅速，因此不同领域的研究人员需要沟通和合作。

“对于宇宙学和天体物理学，人工智能模拟的下一步是整合更多的物理学，”克罗夫特说。“现在，我们使用重力和暗物质。在恒星和星系中，有气体和尘埃，这些可能是难以添加到模型中的部分。人工智能提供了一个框架，可以在未来快速做到这一点。

物理学教授雷切尔·曼德尔鲍姆（Rachel Mandelbaum）是开发宇宙学分析工具和技术的领先专家。她正在领导研究开发软件，以分析由空间和时间遗产调查（opens in new window）（LSST）生成的大型数据集，该调查将由 Vera C. Rubin 天文台进行。

通过LSST，鲁宾天文台是NSF和能源部的联合倡议，每晚将收集和处理超过20TB的数据 – 每年高达10PB，持续10年 – 并将建立南方天空的详细合成图像。

“我们将拥有对太阳系起源、银河系和宇宙演化做出重大发现所需的所有数据，但我们没有软件，”曼德尔鲍姆说。“LSST的许多科学目标都具有共同的特征和计算挑战。如果我们在开发算法和分析框架时有远见，我们就可以利用它们来实现调查的许多核心科学目标。

多信使天文学解锁数据秘密

迪马特奥说，麦克威廉姆斯中心正在成为多信使天文学的领导者，这是理解数据海洋的秘密武器。

“通过大数据和仿真建模方面的研究工作，卡内基梅隆大学的麦克威廉姆斯中心正在巩固自己作为这一新兴领域的领导者的地位，”Di Matteo说。最近聘请的天体物理学教师，如 凯蒂·布雷维克（Katie Breivik） 和 安东内拉·帕尔梅斯（Antonella Palmese）（在新窗口中打开），正在扩大他所在领域的研究。

“MMA在这项研究中有两个主要组成部分：大数据和模拟建模，”Di Matteo说。通过整合包括光、粒子和引力波在内的多种信息流，MMA的最终愿景是促进对宇宙最神秘现象的更深入理解。

布雷维克于2023年加入卡内基梅隆大学担任助理教授，研究双星如何从出生到死亡的演化。这种现象——两颗恒星围绕一个共同的质心运行——几乎影响了天文学的方方面面，从形成星系到形成黑洞。她从黑洞、恒星核心和正常恒星等恒星物体的数据集中获取信息，以开发双星相互作用的模拟。Breivik与机器学习专家一起，将这些模型与引力波和电磁波测量的数据相结合。

“我们有一个完整的教师队伍，他们共享从理论到模拟再到计算的广泛工具，并且正在开辟一条道路，实际上使用这些工具开发新方法，”布雷维克说。“当协作发生时，你会得到比各部分之和更好的魔力。”

望远镜的观测加强了模拟和计算。麦克威廉姆斯中心的研究人员参与了大型望远镜项目，包括即将到来的LSST和NASA的詹姆斯·韦伯太空望远镜（opens in new window）以及即将到来的南希·格雷斯·罗曼太空望远镜（opens in new window）。

帕尔梅斯于 2022 年加入卡内基梅隆大学，担任物理学助理教授，参与暗能量调查（opens in new window）、DESI 和激光干涉仪空间天线（opens in new window）等国际项目。

帕尔梅斯使用光学望远镜和巡天来寻找灾难性事件产生的光，这些事件会引起时空涟漪，这些涟漪可以从中子星或黑洞之间的碰撞中检测到。为此，她在光度和光谱数据集中寻找瞬变的证据，即天文物体在几秒钟、几小时或几十年内变化的时间段。

“我们必须处理这些非常大的数据集，无论是来自星系调查还是一遍又一遍地对天空进行成像的天空调查，”帕尔梅斯说。“你需要大数据技术和机器学习来帮助你分析这些数据并快速分析它。

匹兹堡及其他地区的交通

麦克威廉姆斯中心可以使用匹兹堡超级计算中心（opens in new window） （PSC） 的资源，该中心是 CMU 和匹兹堡大学的联合合作项目。这包括称为 Vera 的专用集群。

“访问Vera集群使我们能够做的很多科学工作成为可能，”Palmese说。

麦克威廉姆斯中心最近还通过内部资金获得了南非大型望远镜（opens in new window）（ SALT）的直接望远镜使用权。研究人员将利用这段时间快速观察通过引力波发现的致密物体合并后的爆炸，并为学生提供重要的观测培训。

麦克威廉姆斯博士后研究员布伦丹·奥康纳（Brendan O’Connor）与帕尔梅斯（Palmese）合作，获得了麦克威廉姆斯种子基金，以购买SALT的时间，这将部分用于研究宇宙爆炸。他想要研究的一个目标是两颗中子星的碰撞，它会产生一种罕见的、短暂的瞬态，被称为千新星。他说，这是天体物理学的一个发展领域。

“在这一点上，即使是对这些稀有物体的一些观察也会产生很大的影响，”奥康纳说。

博士后研究员从一开始就是麦克威廉姆斯中心的一部分。

“由于麦克威廉姆斯捐赠基金，我们在成为顶级候选人的目的地方面具有竞争力，而这些候选人反过来又受到教师职位的追捧，”迪马特奥说。“这是一项享有盛誉的奖学金，他们的成功是巨大的。它们有助于使进步成为可能。博士后用新的想法和兴奋点燃了这个地方。

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CMU记得受托人布鲁斯·麦克威廉姆斯（Bruce McWilliams）

麦克威廉姆斯宇宙学和天体物理学中心成立于 2007 年，由卡内基梅隆大学理事和三重物理学校友布鲁斯·麦克威廉姆斯 （Bruce McWilliams） 捐赠，他于 2023 年 9 月去世。

“布鲁斯不仅仅是一个恩人，”迪马特奥说。“他在塑造该中心的学术界方面发挥了关键作用，以他对宇宙和物理学的同样热情培育了该中心的发展。
 
作为硅谷的居民，他是卡内基梅隆大学的热情倡导者和支持者。
 
麦克威廉姆斯的朋友和同事正在努力建立一个捐赠奖学金，以纪念他，以支持梅隆科学学院的研究生。如需了解更多信息或做出贡献，请联系负责发展和战略计划的副院长 Nancy Felix（opens in new window）。