Революция в астрофизике: ИИ и суперкомпьютер создали виртуальный Млечный Путь невероятной детализации

Учёные совершили качественный скачок в моделировании галактик, создав самую детализированную на сегодняшний день симуляцию Млечного Пути. В этом достижении объединены мощь машинного обучения и традиционные численные модели. Новая программа работает в 100 раз быстрее своих предшественников, позволяя астрономам отследить эволюцию нашей галактики за миллиарды лет не за десятилетия, а всего за месяцы.

В отличие от предыдущих лучших моделей, которые оперировали миллиардом частиц, новая симуляция включает колоссальные 100 миллиардов частиц, каждая из которых представляет отдельную звезду. Это практически равно реальному количеству светил в Млечном Пути. Прежние методы, где одна частица усредненно представляла 100 звезд, были не только медленными (моделирование миллиона лет занимало 13 дней), но и «сглаживали» важные детали, такие как влияние отдельной сверхновой на межзвездную среду. Таким образом, они учитывали лишь долгосрочные события, игнорируя краткосрочные катаклизмы, которые зачастую и определяют крупномасштабную эволюцию галактики.

Команде Кейи Хирасимы из RIKEN удалось обойти это ограничение, разработав принципиально новую методологию. Они создали глубокое обучение, которое обучили на данных о сверхновых. Эта модель-«суррогат» научилась точно предсказывать, как остаток сверхновой расширяется в межзвездной среде на протяжении 100 000 лет. Это взрывное расширение разметает газ и пыль, обогащая их новыми химическими элементами, синтезированными в недрах звезды и в момент ее гибели. Этот процесс меняет химический состав и распределение материи, из которой впоследствии формируются новые поколения звезд.

Интегрировав эту модель-«суррогат» с численными симуляциями, описывающими общую динамику Млечного Пути, исследователи смогли вписать эффекты от краткосрочных событий (сверхновых) в картину долгосрочной галактической эволюции. Это не только повысило детализацию, но и радикально ускорило процесс: теперь моделирование миллиона лет галактической истории занимает всего 2,78 часа. Чтобы смоделировать миллиард лет, потребуется не 36 лет, как раньше, а лишь 115 дней.

«Я убежден, что интеграция искусственного интеллекта с высокопроизводительными вычислениями знаменует фундаментальный сдвиг в том, как мы решаем многоscaleные и многофизические задачи в вычислительных науках», — заявил Хирасима.

Перспективы этой методологии простираются далеко за пределы астрофизики. После незначительной адаптации её можно использовать для моделирования климатических изменений, океанических течений или погодных систем, где локальные и быстропротекающие явления оказывают глобальное влияние на долгосрочные процессы.

Что касается нашей галактики, этот инструмент может стать по-настоящему transformativeным. Он позволит с беспрецедентной точностью проверить гипотезы о формировании Млечного Пути, развитии его структуры (спиральных рукавов, бара, гало) и обогащении его химическими элементами.

«Наше достижение демонстрирует, что ускоренные с помощью ИИ симуляции выходят за рамки простого распознавания паттернов и становятся подлинным инструментом научного открытия, — подчеркнул Хирасима. — Они помогают нам проследить, как именно в нашей галактике возникли элементы, ставшие строительными кирпичиками жизни».

Результаты этого революционного исследования были представлены на международной конференции по суперкомпьютерным технологиям SC '25. Это открывает новую эру в вычислительной астрофизике, где виртуальные миры будут отражать реальность с точностью, о которой недавно можно было только мечтать.