Simularea Milky Way: 100 de miliarde de stele folosind 7 milioane de nuclee CPU
Astrofizicienii au realizat o realizare remarcabilă promptând prima simulare a galaxiei Milky Way, care reflectă cu exactitate peste 100 de miliarde de stele individuale pe parcursul a 10.000 de ani. Această realizare innovatoare a fost obținută prin combinarea inteligenței artificiale (AI) cu simulări numerice, stabilind un nou standard în simulările cosmice.
Simularea a depășit cu mult modelele anterioare, având o capacitate de a reprezenta de 100 de ori mai multe stele individuale și având totodată o viteză de execuție de 100 de ori mai mare. Publicată în cadrul Conferinței Internaționale pentru Calcul High Performance, această cercetare deschide noi orizonturi nu doar în astrofizică, ci și în modelarea fenomenelor precum schimbările climatice și tiparele meteorologice.
Provocările simulării galaxiei Milky Way
A crea un model al galaxiei Milky Way la nivel de stele individuale este o sarcină excepțional de complexă, esențială pentru testarea teoriilor privind formarea galaxiilor, structura și evoluția stellară. Aceste modele trebuie să ia în considerare o serie de factori, cum ar fi gravitația, dinamica fluidelor, exploziile de supernova și sinteza elementelor, fiecare dintre acestea având loc pe scale diferite de spațiu și timp.
Până acum, cercetătorii nu au reușit să realizeze simulări la scară mare pentru galaxii precum Milky Way, păstrând în același timp o rezoluție înaltă la nivelul stelelor. Modelele existente aveau limitări de masă de aproximativ o miliardă de sori, în timp ce Milky Way conține mai mult de 100 de miliarde de stele. Aceasta înseamnă că cea mai mică unitate din model era, de fapt, un grup de stele cu o masă de 100 de sori, iar evoluția individuală a stelelor era netransformată, rezultând excluzii semnificative în simulările de amploare.
Limitele computaționale și necesitatea inovației
Simularea galaxiilor la un nivel atât de detaliat necesită o putere de calcul enormă, iar procesele rapide la nivelul stelelor individuale, cum ar fi evoluția supernovelor, necesită intervale de timp mai scurte între pașii simulării. Însă, procesarea unor pași de timp mai mici duce la consumul mai mare de resurse computaționale. Dacă cea mai bună simulare fizică convențională ar încerca să simuleze Milky Way la nivel de stele, ar necesita 315 ore pentru fiecare milion de ani de timp simulativ, ceea ce ar însemna peste 36 de ani pentru a simula un miliard de ani de evoluție galactică.
Adăugarea mai multor nuclee de supercomputer nu este o soluție fezabilă, nu doar din cauza consumului extrem de energie, dar și din cauza eficienței care scade cu tot mai multe nuclee adăugate.
Rezultate remarcabile și implicații mai largi
În fața acestor provocări, echipa condusă de Keiya Hirashima de la RIKEN Center pentru Științe Teoretice și Matematice Interdisciplinare (iTHEMS) din Japonia, împreună cu colegi de la Universitatea din Tokyo și Universitat de Barcelona, a dezvoltat o nouă abordare care combină un model de învățare profundă cu simulări fizice. Modelul a fost instruit pe simulări de înaltă rezoluție ale unei supernova, învățând să prezică modul în care gazul din jur se expandează în 100.000 de ani după o explozie de supernova, fără a utiliza resurse de la restul modelului.
Noua metodă nu doar că permite rezoluția la nivelul stelelor individuale în galaxii cu peste 100 de miliarde de stele, dar a reușit să simuleze un milion de ani în doar 2.78 ore. Aceasta înseamnă că un miliard de ani ar putea fi simulat în doar 115 zile, în loc de 36 de ani, ceea ce este o realizare mentorică în domeniu.
Hirashima subliniază că integrarea AI cu calculul high-performance reprezintă un salt fundamental în modul în care abordăm problemele multifizice și multiscale în științele computaționale. Această realizare ar putea transforma modul în care sunt realizate simulările în alte domenii, inclusiv științele meteorologice și oceanografice, unde este necesară corelarea proceselor de mică și mare scară.
Acest progres demonstrează că simulările accelerate de AI pot depăși recunoașterea modelelor tradiționale și pot deveni un instrument real pentru descoperiri științifice, ajutându-ne să înțelegem cum elementele care au format viața au apărut în galaxia noastră.
Mai multe informații pot fi găsite în publicația: The First Star-by-star N-body/Hydrodynamics Simulation of Our Galaxy Coupling with a Surrogate Model.
