Revoluční simulace galaxií: 1000 miliard hvězd za pouhých 115 dní
Vědci úspěšně vytvořili největší simulaci galaxií v historii, která obsahuje více než 1000 miliard hvězd. Tato simulace vykazuje nápadný pokrok, protože dokáže simulovat změny v galaxiích za období 1 miliardy let během méně než čtyř měsíců.
Tým vědců vedený Keiyou Hirašimou z japonského výzkumného institutu RIKEN, ve spolupráci s Tokijskou univerzitou a univerzitou v Barceloně, provedl tento revoluční projekt a výsledky prezentoval na mezinárodní konferenci Supercomputing 2025 (SC25).
Simulace, která byla vyvinuta, má více než 100krát více hvězd než dosud nejmodernější modely galaxií. To představuje zásadní pokrok ve studiu astrofyziky, které se většinou spoléhá na pozorování, jelikož není možné realisticky reprodukovat kosmické jevy.
Vytváření simulací galaxií je velmi komplexní, jelikož zahrnuje různé jevy, jako jsou gravitace, hydrodynamika, explozivní supernovy a chemické reakce. Dosavadní simulace dokázaly modelovat pouze galaxie do celkové hmotnosti odpovídající 1 miliardě slunečních hmotností, zatímco velké galaxie obvykle obsahují mnohem více než 1000 miliard hvězd. To omezilo schopnost těchto simulací posoudit detailní změny v chování galaxií, což vedlo k tomu, že bylo možné studovat pouze averagální změny během velkých událostí.
Dalším velkým problémem byla časová náročnost simulace. Pro simulaci jedné galaxie s vysokým rozlišením by využití stávajících technologií trvalo 315 hodin na simulaci 1 milionu let a 36 let na modelování evoluce galaxie během 1 miliardy let.
Vědci však ukázali, že pouhé zvyšování počtu jader procesoru (CPU) problém nevyřeší, protože to znamená obrovské spotřeby energie a nízkou účinnost. Navíc zvýšení počtu jader nemusí vždy nutně zrychlit simulaci.
Proto tým zvolil inovativní přístup pomocí kombinace fyzikálních simulací a modelů umělé inteligence (AI) s hlubokým učením. Tento model byl trénován na simulaci výbuchů supernov s vysokým rozlišením, což mu umožnilo předvídat, jak se okolní plyn rozšiřuje během 100 000 let po výbuchu.
Nově vyvinutá simulace umožňuje nejen sledovat celkové změny v galaxii, ale také detailně studovat menší jevy, jako jsou výbuchy supernov. Procesory použité v této simulaci měly celkem 7 147 200 jader, která zvládají více úloh současně.
Testování simulace na superpočítačích Fugaku a Miyabi dosáhlo úspěšného provedení simulace, při které bylo možné identifikovat jednotlivé hvězdy v galaxiích obsahujících více než 1000 miliard hvězd.
Čas potřebný pro simulace se dramaticky zrychlil; simulace jednoho milionu let trvala jen 2,78 hodiny, zatímco simulace jedné miliardy let se z původních 36 let zkrátila na pouhých 115 dní. To odpovídá zrychlení o více než 100 násobků!
Vyvinutá simulace by mohla najít uplatnění nejen v astrofyzice, ale také při modelování komplexních systémů jako jsou změny klimatu nebo předpovědi počasí.
Profesor Hirašima poznamenal: „Integrace vysokovýkonného výpočetního výkonu a AI přinese zásadní změny v metodách řešení problémů v oblasti výpočetní vědy. Ukazuje to, že simulace urychlené AI mohou představovat skutečný nástroj pro vědecké objevování.“
