Finding the initial conditions that led to the current state of the universe is challenging because it involves searching over a vast input space of initial conditions, along with modeling their evolution via tools such as N-body simulations which are computationally expensive. Deep learning has emerged as an alternate modeling tool that can learn the mapping between the linear input of an N-body simulation and the final nonlinear displacements at redshift zero, which can significantly accelerate the forward modeling. However, this does not help reduce the search space for initial conditions. In this paper, we demonstrate for the first time that a deep learning model can be trained for the reverse mapping. We train a V-Net based convolutional neural network, which outputs the linear displacement of an N-body system, given the current time nonlinear displacement and the cosmological parameters of the system. We demonstrate that this neural network accurately recovers the initial linear displacement field over a wide range of scales ($<1$-$2\%$ error up to nearly $k = 1\ \mathrm{Mpc}^{-1}\,h$), despite the ill-defined nature of the inverse problem at smaller scales. Specifically, smaller scales are dominated by nonlinear effects which makes the backward dynamics much more susceptible to numerical and computational errors leading to highly divergent backward trajectories and a one-to-many backward mapping. The results of our method motivate that neural network based models can act as good approximators of the initial linear states and their predictions can serve as good starting points for sampling-based methods to infer the initial states of the universe.


翻译:找到导致当前宇宙状态的初始条件具有挑战性,因为它涉及搜索庞大的初始条件输入空间,以及通过诸如N体模拟等工具建模它们的演变,这是计算上昂贵的。深度学习已经成为一种替代建模工具,可以学习N体模拟线性输入和零红移下最终非线性位移之间的映射,这可以显着加速正向建模。但是,这并不能帮助减少初始条件的搜索空间。在本文中,我们首次证明了使用深度学习模型可以进行反向建模。我们训练了一个基于V-Net的卷积神经网络,该网络输出N体系统的线性位移,给定当前时间的非线性位移和系统的宇宙学参数。我们证明,这个神经网络可以准确恢复初始线性位移场,在各种尺度范围内($<1$-$2\%$误差,甚至到$k = 1\ \mathrm{Mpc}^{-1}\,h$),尽管反向问题在较小尺度上具有不确定性。具体而言,较小的尺度受非线性效应的支配,这使得反向动力学更容易出现数值和计算错误,导致高度发散的反向轨迹和一对多的反向映射。我们方法的结果表明,基于神经网络的模型可以作为初始线性状态的良好近似器,它们的预测可以作为推断宇宙初始状态的采样方法的良好起点。

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