AI「ブラックボックス」を解明:解釈可能なニューラルネットワークがダークマターの本質を明らかに(Peering into AI “Black Box”: Interpretable Neural Networks Help Reveal the Nature of Dark Matter)

2025-12-04 中国科学院(CAS)

中国科学院新疆天文台(XAO)の研究チームは、暗黒物質の性質解明に向け、解釈可能なAIフレームワーク「畳み込み型コルモゴロフ–アーノルドネットワーク(CKAN)」を開発した。従来の畳み込みニューラルネットワーク(CNN)は高性能だがブラックボックス性が課題であった。CKANは可変な活性化関数を導入し、ネットワーク構造を数式として表現可能にすることで、高精度を保ちながら解釈性を大幅に向上させた。解析の結果、AIは暗黒物質ハローと銀河団中心のずれやコア領域の熱伝導といった重要な物理量に自発的に着目していることが判明した。さらに、銀河団スケールで自己相互作用暗黒物質を観測的に識別するには、相互作用断面積が0.1~0.3 cm²g⁻¹以上必要であると定量的に示した。JWSTやEuclidを想定した観測ノイズ下でも性能は堅牢で、解釈可能AIによる宇宙物理研究の新たな道を示している。

AI「ブラックボックス」を解明:解釈可能なニューラルネットワークがダークマターの本質を明らかに(Peering into AI “Black Box”: Interpretable Neural Networks Help Reveal the Nature of Dark Matter)
Robustness test of the CKAN under simulated observational noise. The green and blue curves represent noise levels corresponding to JWST and Euclid specifications, respectively, where n denotes the sample size. The plot displays the trained CKAN’s predictions on an unseen test set of CDM-hi AGN samples (with a ground-truth cross-section of zero). (Image by XAO)

<関連情報>

銀河団における自己相互作用と冷たい暗黒物質を解き明かす解釈可能なAIフレームワーク:CKANアプローチ An Interpretable AI Framework to Disentangle Self-interacting and Cold Dark Matter in Galaxy Clusters: The CKAN Approach

Zhenyang Huang, Haihao Shi, Zhiyong Liu, and Na Wang
The Astronomical Journal  Published: 2025 October 10
DOI:10.3847/1538-3881/ae0476

Abstract

Convolutional neural networks have shown their ability to differentiate between self-interacting dark matter (SIDM) and cold dark matter on galaxy cluster scales. However, their large parameter counts and “black-box” nature make it difficult to assess whether their decisions adhere to physical principles. To address this issue, we have built a convolutional Kolmogorov–Arnold network (CKAN) that reduces parameter count and enhances interpretability, and propose a novel analytical framework to understand the network’s decision-making process. With this framework, we leverage our network to qualitatively assess the offset between the dark matter distribution center and the galaxy cluster center, as well as the size of heating regions in different models. These findings are consistent with current theoretical predictions and show the reliability and interpretability of our network. By combining network interpretability with unseen test results, we also estimate that for SIDM in galaxy clusters, the minimum cross section (σ/m)th required to reliably identify its collisional nature falls between 0.1 and 0.3 cm2 g−1. Moreover, CKAN maintains robust performance under simulated JWST and Euclid noise, highlighting its promise for application to forthcoming observational surveys.

1701物理及び化学
ad
ad
Follow
ad
タイトルとURLをコピーしました