Dalla IA una simulazione da record della Via Lattea

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Ritrae 100 volte più stelle dei modelli precedenti pur essendo stata realizzata 100 volte più velocemente: sono le due facce del record ottenuto dalla nuova simulazione della Via Lattea realizzata combinando l’Intelligenza Artificiale (IA) con modelli numerici tradizionali.
Frutto della collaborazione tra il Centro di ricerca per le scienze teoriche e matematiche interdisciplinari (iThems) del centro giapponese Riken, l’Università di Tokyo e l’Università di Barcellona, questa è la prima simulazione della Via Lattea che riproduce più di 100 miliardi di singole stelle nel dettaglio mostrando la loro evoluzione nel corso di 10 mila anni.
Il lavoro è stato pubblicato nella conferenza internazionale sul supercalcolo SC ’25.

Finora, le simulazioni galattiche tradizionali non sono state in grado di modellare grandi galassie, come la Via Lattea, mantenendo un’elevata risoluzione stellare.
Questo perché i modelli di calcolo più all’avanguardia hanno un limite invalicabile: non riescono a rappresentare insiemi inferiori di circa un miliardo di stelle. Per una galassia come la Via Lattea, nella quale se ne contano più di 100 miliardi, questo vuol dire che ciascuna ‘particella’ del modello, in realtà, rappresenta un ammasso di 100 stelle. Le simulazioni galattiche tradizionali hanno quindi rappresentato con precisione, finora, solo gli eventi su larga scala, non riuscendo cioè a mostrare l’evoluzione delle singole stelle.
Il problema di fondo è il tempo che divide ogni istantanea della simulazione: è troppo lungo per rappresentare anche i cambiamenti rapidi come l’evoluzione di una stella in supernova.

L’ostacolo concreto che finora non ha permesso ai modelli tradizionali, seppur d’avanguardia, di accorciare il tempo tra un’istantanea e l’altra, sta nel fatto che l’elaborazione di intervalli più brevi richiede più tempo e maggiori risorse di calcolo.
Se le simulazioni galattiche tradizionali cercassero oggi di ‘ricreare’ la Via Lattea fino alla singola stella, 1 milione di anni di evoluzione simulata richiederebbe un lavoro di 315 ore, un ritmo con il quale si impiegherebbero più di 36 anni di lavoro per riprodurre anche solo un miliardo di anni di evoluzione della nostra galassia.

La soluzione è arrivata dalla combinazione di un modello di deep learning, branca dell’IA basata sull’apprendimento automatico, con le simulazioni fisiche tradizionali. Addestrando l’IA su simulazioni ad alta risoluzione di una supernova, questa ha imparato a prevedere come il gas circostante si espande nei 100.000 anni successivi all’esplosione stellare. Una scorciatoia che ha permesso alla simulazione di modellare contemporaneamente le dinamiche complessive della galassia e fenomeni su scala ridotta come le esplosioni di supernova.

Dopo le verifiche necessarie utilizzando il supercomputer Fugaku del Riken e il sistema di supercomputer Miyabi dell’Università di Tokyo, il nuovo modello sviluppato con il supporto dell’IA consente così la risoluzione a livello stellare in grandi galassie con oltre 100 miliardi di stelle. Il sistema ha realizzato una simulazione di 1 milione di anni di evoluzione stellare e galattica in sole 2,78 ore, a differenza delle 315 ore richieste dai modelli tradizionali.
Il nuovo ritmo garantito dalla IA permette di simulare un miliardo di anni della storia di una galssia potrebbero essere ora necessari soli 115 giorni, anziché 36 anni.

«Questo risultato dimostra anche che le simulazioni accelerate dall’IA possono andare oltre il riconoscimento dei modelli per diventare un vero e proprio strumento di scoperta scientifica, aiutandoci a tracciare come gli elementi che hanno dato origine alla vita stessa sono emersi all’interno della nostra galassia», afferma Keiya Hirashima, primo autore dello studio.

Immagine in evidenza: Illustrazione della Via Lattea. Crediti: Nasa/JPL-Caltech