Створено цифрового двійника Чумацького Шляху зі 100 мільярдів зірок

Чумацький Шлях містить понад 100 мільярдів зірок, кожна з яких проходить власний еволюційний шлях через народження, життя та іноді насильницьку смерть. Десятиліттями астрофізики мріяли створити повне моделювання нашої галактики, цифрового двійника, який міг би перевіряти теорії про те, як галактики формуються та еволюціонують. Ця мрія завжди розбивалася об неможливу обчислювальну стіну. Але тепер ситуація змінилася.

Дослідники на чолі з Кейєю Хірашімою з Центру міждисциплінарних теоретичних та математичних наук RIKEN досягли того, що здавалося недосяжним. Вони створили моделювання, яке представляє кожну з цих 100 мільярдів зірок протягом 10 тисяч років галактичного часу. Прорив відбувся завдяки несподіваному поєднанню штучного інтелекту та традиційних фізичних симуляцій. Результати були представлені на цьогорічній Конференції з суперкомп'ютерних обчислень.

Проблема полягала не лише в масштабі, хоча цифри вражають. Попередні найсучасніші симуляції галактик могли обробляти приблизно один мільярд сонячних мас, що означає, що їхня найменша частинка представляла скупчення приблизно зі 100 зірок. Окремі зоряні події усереднювалися, губилися в шумі. Щоб зафіксувати те, що відбувається з окремими зірками, потрібно робити крихітні часові кроки через симуляцію, достатньо короткі, щоб зловити швидкі зміни, такі як вибухи наднових.

Але менші часові кроки вимагають експоненційно більшої обчислювальної потужності. Використання звичайних методів для моделювання Чумацького Шляху з роздільною здатністю окремих зірок вимагало б 315 годин часу суперкомп'ютера на кожен мільйон років галактичної еволюції. Моделювання навіть одного мільярда років поглинуло б 36 років реального часу. Додавання більшої кількості процесорних ядер також не вирішує проблему, оскільки після певної точки ефективність різко падає, а споживання енергії зростає.

Команда Хірашіми знайшла рішення в сурогатній моделі глибокого навчання. Вони навчили штучний інтелект на симуляціях високої роздільної здатності наднових, навчивши його передбачати, як газ розширюється протягом 100 тисяч років після вибуху. Цей ярлик штучного інтелекту обробляє швидку дрібномасштабну фізику, не сповільнюючи решту моделі, дозволяючи симуляції одночасно відстежувати як галактичну динаміку в цілому, так і окремі зоряні катастрофи.

Приріст продуктивності виявився значним. Те, що зайняло б 36 років, тепер вимагає лише 115 днів. Команда перевірила свої результати на великомасштабних тестах на суперкомп'ютері Fugaku в RIKEN та системі Miyabi Токійського університету, підтвердивши, що покращена штучним інтелектом симуляція дає точні результати в безпрецедентному масштабі.

Цей підхід може трансформувати те, як ми моделюємо будь-яку систему, що включає значно різні масштаби простору та часу. Кліматологія, прогнозування погоди та океанічна динаміка стикаються з подібними викликами, потребуючи зв'язку процесів, які варіюються від молекулярних до планетарних масштабів.

Створення цифрового двійника Чумацького Шляху відкриває нові можливості для розуміння еволюції галактик. Вчені тепер можуть досліджувати, як окремі зоряні події впливають на загальну структуру галактики, як вибухи наднових формують міжзоряне середовище та як народжуються нові покоління зірок. Це моделювання дозволяє перевіряти теорії, які раніше були недоступними для експериментальної перевірки через обмеження обчислювальних потужностей.

Використання штучного інтелекту для прискорення складних наукових обчислень стає все більш поширеним підходом у різних галузях науки. Однак застосування глибокого навчання для моделювання галактик на такому масштабі є безпрецедентним досягненням, яке демонструє потенціал поєднання традиційних фізичних моделей з сучасними методами машинного навчання.