Инновационная компьютерная симуляция способна отслеживать свыше 100 миллиардов отдельных звезд на протяжении 10 тысяч лет эволюции галактики.
На протяжении многих лет астрофизики стремились создать модель Млечного Пути с достаточно детализированным отслеживанием каждой звезды. Такие симуляции могли бы напрямую сопоставлять теории галактической эволюции с данными наблюдений. Тем не менее, точное моделирование галактики требует расчета гравитационных взаимодействий, поведения газов, формирования химических элементов и активности сверхновых на огромных временных и пространственных масштабах.
До настоящего времени ученые не имели возможности смоделировать галактику, аналогичную Млечному Пути, сохраняя детализацию на уровне отдельных звезд. Современные симуляции описывают системы с массой около миллиарда солнц — этого недостаточно на фоне более чем 100 миллиардов звезд нашей галактики. В результате мельчайшая «частица» в подобных моделях обычно символизирует группу примерно из 100 звезд, что усредняет поведение и ограничивает точность.
Проблема заключается в временных интервалах между вычислительными шагами: чтобы учесть быстрые события, такие как взрывы сверхновых, симуляция должна двигаться с микроскопическими временными отрезками. Даже с самыми передовыми физическими моделями симуляция Млечного Пути звезда за звездой потребовала бы около 315 часов на каждый миллион лет галактической эволюции. Это означает, что для моделирования миллиарда лет понадобилось бы более 36 лет реального времени.
Группа ученых из Центра междисциплинарных теоретических и математических наук RIKEN совместно с коллегами из Токийского университета и Университета Барселоны под руководством Кейи Хирасимы разработала метод, который объединил модель глубокого обучения с традиционными физическими симуляциями. Искусственный интеллект был обучен на высокоразрешенных симуляциях сверхновых и научился предсказывать распространение газа в течение 100 тысяч лет после взрыва без дополнительной нагрузки на основную симуляцию. Это позволило охватить общее поведение галактики, сохраняя детали отдельных сверхновых.
Новая методика обеспечивает истинное разрешение на уровне отдельных звезд для галактик, содержащих более 100 миллиардов звезд. Симуляция миллиона лет теперь занимает всего 2,78 часа, а миллиард лет можно завершить примерно за 115 дней вместо 36 лет.
«Я считаю, что интеграция ИИ с высокопроизводительными вычислениями знаменует собой кардинальный сдвиг в том, как мы решаем мультимасштабные мультифизические задачи в вычислительных науках», — говорит Хирасима. «Симуляции с ускорением ИИ могут выйти за рамки распознавания образов и стать настоящим инструментом научных открытий, который поможет ученым отслеживать, как возникли элементы, сформировавшие саму жизнь в нашей галактике».
Фото: hi-tech.mail.ru