Новый способ моделирования сверхновых может пролить свет на происхождение нашей Вселенной. Сверхновые — это взрывающиеся звезды, которые играют решающую роль в формировании и эволюции галактик. Однако точное и эффективное моделирование этих явлений оказалось серьезной проблемой. Команда, в которую входят исследователи из Токийского университета, впервые применила глубокое обучение для улучшения моделирования сверхновых. Этот прогресс ускоряет моделирование, которое имеет решающее значение для понимания формирования и эволюции галактик, а также химической эволюции, которая привела к возникновению жизни.
Когда вы слышите о глубоком обучении, вы, вероятно, думаете о последних приложениях, появившихся на этой неделе, которые могут умело обрабатывать изображения или генерировать текст, похожий на человеческий. Глубокое обучение может отвечать за некоторую закулисную работу этих вещей, но оно также используется в широком спектре различных областей исследований. Недавно на технологическом мероприятии под названием хакатон команда применила глубокое обучение для прогнозирования погоды. Оно оказалось весьма эффективным, что также заставило задуматься Кейю Хакашиму, аспиранта кафедры астрономии Токийского университета.
На изображении выше показана обширная область моделируемой галактики. Временное разрешение очень низкое: каждый «шаг» моделирования составляет примерно 100 000 лет. На изображении ниже показана конкретная область, пострадавшая от взрыва сверхновой, с более высоким временным разрешением, причем каждый шаг занимает менее 10 000 лет. Эти области в сочетании с более общим моделированием повышают общую точность и эффективность моделирования. Источник: 2023 Хирасима и др., НАСА/Лаборатория реактивного движения-Калтех/ESO/Р.Хант/Хаббл/Л.КалсадаCC-BY-ND
«Погода — очень сложное явление, но в конечном итоге все сводится к расчетам гидродинамики», — сказал Хирасима. «Поэтому мне было интересно, можем ли мы изменить модель глубокого обучения, используемую для прогнозирования погоды, и применить ее к другой жидкостной системе, но гораздо большей по масштабу и к которой у нас нет прямого доступа: моя область исследований — взрывы сверхновых».
Сверхновая возникает, когда звезда нужной массы сгорает большую часть своего топлива и разрушается в результате огромного взрыва. Сверхновые настолько массивны, что могут поражать большие территории галактики, в которых они находятся. Если бы сверхновая произошла сотни лет назад в пределах нескольких сотен световых лет от Земли, вы, вероятно, не читали бы эту статью сейчас. Чем больше мы знаем о сверхновых, тем лучше мы можем понять, почему галактики становятся такими, какие они есть.
Показаны (слева) прогнозы текущего метода моделирования во время моделирования сверхновой. (Справа) показаны результаты прогнозирования 3D-MIM, которые кажутся очень близкими к современным ведущим методам, но с гораздо более коротким временем выполнения, что позволяет экономить время, энергию и затраты времени на вычисления. Источник изображения: 2023 Хирасимаэтал.
«Проблема в том, сколько времени потребуется, чтобы рассчитать способ взрыва сверхновой. В настоящее время многие долгосрочные модели галактик упрощают способ взрыва сверхновой до идеальной сферы, потому что это относительно легко вычислить», — сказал Хирасима. «Однако в действительности они очень асимметричны. Некоторые области оболочки материи, составляющие границы взрыва, более сложны, чем другие. Мы применили глубокое обучение, чтобы помочь определить, какие части взрыва требуют большего или меньшего внимания во время моделирования, чтобы обеспечить оптимальную точность».
Конечно, глубокое обучение требует глубокой подготовки. Хирасиме и его команде пришлось провести сотни симуляций, потратив на это миллионы часов компьютерного времени (суперкомпьютеры высокопараллельны, поэтому этот отрезок времени будет разделен между тысячами необходимых вычислительных элементов). Но их результаты доказали, что оно того стоило.
Теперь они надеются применить свой метод в других областях астрофизики; например, на эволюцию галактик также влияют большие области звездообразования. 3D-MIM имитирует процесс смерти звезд и вскоре может быть использован для моделирования процесса рождения звезд. Он может даже найти применение за пределами астрофизики в других областях, требующих высокого пространственного и временного разрешения, таких как моделирование климата и землетрясений.
Ссылка Кейя Хирашима, Кана Мориваки, Митико С. Фуджи, Ютака Хираи, Такаюки Р. Сайто и Дзюнъитиро Макино, «Трехмерное пространственно-временное предсказание расширения оболочки сверхновой с использованием глубокого обучения для моделирования галактик с высоким разрешением», 18 сентября 2023 г., Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества (Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества).
DOI: 10.1093/mnras/stad2864
Источник составления: ScitechDaily.