پژوهشگران مرکز iTHEMS در مؤسسه RIKEN ژاپن، به رهبری «کییا هیراشیما» و با همکاری دانشگاه توکیو و دانشگاه بارسلونای اسپانیا، موفق شدند نخستین شبیه‌سازی راه‌شیری را بسازند که می‌تواند رفتار بیش از ۱۰۰ میلیارد ستاره را به‌صورت تک‌به‌تک و طی ۱۰ هزار سال تکامل دنبال کند. این دستاورد که در کنفرانس بین‌المللی ابررایانشی SC’25 ارائه شد، انقلاب بزرگی در دنیای اخترفیزیک، مدل‌سازی رایانشی و کاربرد هوش مصنوعی در علوم پیچیده به‌حساب می‌آید.

هدف دیرینه دانشمندان این بوده است که بتوانند کهکشانی به عظمت راه‌شیری را در مقیاس واقعی و با دقت فردی هر ستاره مدل‌سازی کنند. اما پیچیدگی‌های فیزیکی مانند محاسبه گرانش، رفتارهای گازهای میان‌ستاره‌ای، تشکیل عناصر، انفجارهای ابرنواختری و فرآیندهای چندمقیاسی، این کار را تقریباً غیرممکن کرده بود. شبیه‌سازی دقیق پدیده‌هایی مانند ابرنواخترها نیازمند بازه‌های زمانی بسیار کوچک در شبیه‌سازی است، که همین موضوع محاسبات را به‌شدت سنگین می‌کند.

پیش‌تر، پیشرفته‌ترین شبیه‌سازی‌های کیهانی فقط قادر به مدل‌سازی جرم معادل یک میلیارد خورشید بودند و هر «ذره» در این مدل‌ها معمولاً نشان‌دهنده یک گروه ۱۰۰تایی از ستارگان بود، نه یک ستاره واقعی. یعنی رفتار دقیق ستارگان در مقیاس کوچک حذف می‌شد و فقط میانگین‌گیری صورت می‌گرفت. به همین دلیل، مدل‌سازی حقیقی و دقیق کهکشانی مانند راه‌شیری با صد میلیارد ستاره، سال‌ها فقط یک رویا به‌نظر می‌رسید.

به‌عنوان نمونه، با روش‌های سنتی، شبیه‌سازی هر یک میلیون سال تکامل کهکشان حدود ۳۱۵ ساعت زمان می‌برد. بنابراین ساخت یک مدل یک میلیارد ساله بیش از ۳۶ سال زمان واقعی لازم داشت؛ رقمی که حتی برای قدرتمندترین ابررایانه‌ها نیز غیرعملی است.

اما تیم هیراشیما راه‌حلی نوآورانه ارائه کرد: ترکیب هوش مصنوعی عمیق (Deep Learning) با شبیه‌سازی‌های فیزیکی کلاسیک. آنها یک مدل جایگزین مبتنی بر یادگیری عمیق ساختند که با داده‌های شبیه‌سازی‌های دقیق ابرنواختری آموزش داده شده بود. این مدل می‌توانست رفتار گاز و پخش مواد پس از یک انفجار ابرنواختری را طی ۱۰۰ هزار سال آینده پیش‌بینی کند؛ بدون آنکه به توان محاسباتی عظیم نیاز داشته باشد.

این روش باعث شد شبیه‌سازی اصلی بتواند به‌صورت سریع و کم‌هزینه وارد جزئیات کوچک شود، در حالی که مقیاس کلان کهکشان نیز حفظ می‌شد. این فناوری آن‌قدر دقیق است که رفتار تک‌تک ستارگان را ثبت می‌کند و توانایی مدل‌سازی راه‌شیری با بیش از ۱۰۰ میلیارد ستاره را در یک فرآیند قابل‌مدیریت فراهم کرده است. نتیجه حیرت‌انگیز بود:

شبیه‌سازی یک میلیون سال تنها ۲.۷۸ ساعت زمان برد. یعنی مدل‌سازی یک میلیارد سال تکامل کهکشان فقط ۱۱۵ روز طول می‌کشد؛ نه ۳۶ سال. این دستاورد فقط برای نجوم اهمیت ندارد. چون بسیاری از علوم – مانند پیش‌بینی آب‌وهوا، مدل‌سازی اقلیم، اقیانوس‌شناسی و فیزیک پلاسمایی – با چالش مشابهی روبه‌رو هستند: پیوند دادن پدیده‌های میکروسکوپی با رفتار کلان. استفاده از هوش مصنوعی برای تسریع فرآیندهای پیچیده می‌تواند آینده شبیه‌سازی‌های علمی را متحول کند. به گفته هیراشیما، این پیشرفت نشان می‌دهد که هوش مصنوعی تنها ابزار «تشخیص الگو» نیست، بلکه می‌تواند به ابزار اصلی کشف علمی تبدیل شود؛ ابزاری که قادر است مسیر شکل‌گیری عناصر و فرآیندهایی را که حیات را در کهکشان ما ممکن کرده‌اند، دنبال کند.

منبع خبر: sciencedaily