HIGAN：基于生成对抗网络的天体中性氢

观测宇宙最有前景的方法之一是通过射电望远镜探测宇宙中性氢（HI）的 21cm 发射线。只有当精确的理论预言可用时，这些观测才能阐明基础天体物理问题。为了最大化这些巡天的科学回报，这些预言需要包含不同的可观测量，并在非线性尺度上足够精确。目前实现这一目标的最佳途径之一是宇宙学流体动力学模拟；然而，这些模拟的计算成本很高——数千万 CPU 小时。在本工作中，我们使用 Wasserstein 生成对抗网络（WGAN）生成 $z=5$ 时宇宙 HI 的新高分辨率（$35~h^{-1}{\rm kpc}$）三维实现。我们通过从生成器学到的 100 维流形中采样来实现，该流形刻画了最先进模拟 IllustrisTNG 中宇宙 HI 的完全非线性丰度与成团性。我们表明，生成样本的不同统计性质——一维概率密度函数、功率谱、双谱与空洞尺寸函数——与 IllustrisTNG 吻合得很好，并且优于诸如晕占据分布（HOD）等最先进模型。我们的 WGAN 样本在跨越 9 个数量级的尺度上重现了 HI 的丰度，从 Ly$\alpha$ 森林到阻尼莱曼吸收体。WGAN 生成新样本的速度比流体动力学模拟快数个数量级。