پژوهشگران با ترکیب مدل‌های عددی و یادگیری ماشین، دقیق‌ترین همانند‌سازی ابرکامپیوتری از کهکشان راه شیری را تشکیل کرده‌اند. همانند‌سازی‌ تازه ۱۰۰ برابر سریع تر از مدل‌های قبلی عمل می‌کند و به اخترشناسان اجازه می‌دهد میلیاردها سال از تکامل کهکشان را در زمان چند ماه بازسازی کنند.

پیش از این، دقیق‌ترین همانند‌سازی‌ها تنها می‌توانستند نزدیک به یک میلیارد ستاره را مدل‌سازی کنند و این کار را هم با شدت زیاد پایین انجام می‌دادند. در آن مدل‌ها، محاسبه دقیق یک میلیون سال از تکامل کهکشان به نزدیک به ۳۱۵ ساعت زمان نیاز داشت؛ به این علت همانند‌سازی یک میلیارد سال تقریباً ۳۶ سال محاسبه مداوم زمان می‌برد.

اکنون تیمی به رهبری «کِیا هیرشیما» از مرکز علوم نظری و ریاضیات بین‌رشته‌ای RIKEN ژاپن، همانند‌سازی جدیدی اراعه کرده که هم سریع تر است و هم وضوح زیاد بیشتری در نمایش ستاره‌ها دارد. این پیشرفت با منفعت گیری از رویکردی به دست آمده که اجازه می‌دهد رویدادهای مختصر‌زمان و طویل مدت به‌طور همزمان مدل‌سازی شوند.

در همانند‌سازی‌های قبلی که زیاد تر روی تغیرات طویل مدت تمرکز داشتند، هر ذره نماینده نزدیک به ۱۰۰ ستاره می بود و تعداد بسیاری از جزئیات کوچک، همانند تأثیر یک ابرنواختر و موج انفجاری آن بر محیط بین‌ستاره‌ای، نادیده گرفته می‌شدند. مطابق گزارش‌های انتشار شده، این همانند‌سازی تازه شامل ۱۰۰ میلیارد ذره است که هرکدام نماینده یک ستاره می باشند.

در این روش، یک «مدل جانشین مبتنی بر یادگیری عمیق» با داده‌های زیاد دقیق مربوط به ابرنواخترها آموزش می‌بیند تا بتواند نحوه گسترش موج انفجار یک ابرنواختر در محیط بین‌ستاره‌ای را برای ۱۰۰ هزار سال پیش‌بینی کند. این موج انفجار گاز و غبار را جابجا و مواد تازه‌ای را در فضا پخش می‌کند؛ موادی که بعدها به نسل جدیدی از ستاره‌ها تبدیل خواهد شد.

با ترکیب این مدل با همانند‌سازی‌های عددی مربوط به دینامیک کلی کهکشان، پژوهشگران توانسته‌اند تأثیر رویدادهای مختصر‌زمان ابرنواختری را در روال طویل مدت تکامل راه شیری لحاظ کنند.

شدت بالا در همانند‌سازی کهکشان راه شیری

منفعت گیری از این روش شدت همانند‌سازی را هم به‌طور چشمگیری افزایش داده است. مدل تازه تنها در ۲.۷۸ ساعت می‌تواند یک میلیون سال را بازسازی کند؛ یعنی همانند‌سازی یک میلیارد سال به‌جای ۳۶ سال، تنها به ۱۱۵ روز زمان نیاز دارد.

این روش محدود به اخترفیزیک نیست و با تغییراتی می‌تواند برای همانند‌سازی تغییرات اقلیمی، مدل‌های اقیانوسی یا پیش‌بینی اتفاق‌های جوی نیز به کار گرفته شود. به حرف های هیرشیما، این دستاورد می‌تواند در مطالعه شکل‌گیری راه شیری، تکامل ساختار آن و فهمیدن روال غنی‌شدن شیمیایی کهکشان تحول‌آفرین باشد.

نتایج این همانند‌سازی در کنفرانس بین‌المللی ابررایانه‌ها SC ’۲۵ اراعه شده است.