KI erstellt größte Milchstraßen-Simulation aller Zeiten

Durchbruch in galaktischer Modellierung

Wissenschaftler haben einen monumentalen Durchbruch in der Astrophysik erzielt, indem sie die größte und detaillierteste Simulation unserer Milchstraße aller Zeiten erstellt haben. Mithilfe von künstlicher Intelligenz und Supercomputer-Leistung können Forscher nun mehr als 100 Milliarden einzelne Sterne über 10.000 Jahre galaktischer Evolution verfolgen - eine Leistung, die bisher als rechnerisch unmöglich galt.

Überwindung rechnerischer Barrieren

Die wichtigste Innovation liegt darin, wie das Forschungsteam unter der Leitung von Keiya Hirashima am RIKEN Center for Interdisciplinary Theoretical and Mathematical Sciences die grundlegende Herausforderung der Multi-Skalen-Physik angegangen ist. 'Das Problem war immer, dass Galaxien über Milliarden von Jahren evolvieren, aber entscheidende Ereignisse wie Supernovae auf Zeitskalen von Jahren bis Tausenden von Jahren stattfinden,' erklärte Dr. Hirashima. 'Traditionelle Simulationen mussten kleine Zeitschritte machen, wenn eine Supernova stattfand, was Simulationen über Milliarden von Jahren praktisch unmöglich machte.'

KI-gestützte Supernova-Vorhersage

Der Durchbruch gelang durch das Training eines Deep-Learning-Neuronalnetzwerks, um vorherzusagen, wie sich Gas nach Supernova-Explosionen ausbreitet. Anstatt jede Explosion schrittweise zu berechnen, kann das KI-System direkt die Gasverteilung nach 100.000 Jahren vorhersagen. Dadurch kann die Hauptsimulation mit großen Zeitschritten fortfahren, während die KI die komplexe Physik der Sternexplosionen im Hintergrund behandelt.

Das Team verwendete Japans leistungsstarken Fugaku-Supercomputer zusammen mit dem Miyabi-System an der Universität Tokio, um die Simulation durchzuführen. Die Ergebnisse sind verblüffend: Das neue Modell repräsentiert 300 Milliarden Teilchen (Sterne, Gas und dunkle Materie) - mehr als 300-mal so viel wie der vorherige Rekordhalter.

Beispiellose Geschwindigkeit und Skalierung

Die rechnerischen Verbesserungen sind ebenso beeindruckend. 'Was früher Wochen dauerte, dauert jetzt nur noch Stunden,' sagte ein Teammitglied der Universität Tokio. 'Wir können eine Million Jahre galaktischer Evolution in weniger als drei Stunden simulieren, verglichen mit den 36 Jahren, die es mit konventionellen Methoden für eine Milliarde Jahre Simulation benötigt hätte.'

Diese Geschwindigkeitssteigerung um mehr als das 100-fache ermöglicht es erstmals, die gesamte Milchstraße mit individueller Sternauflösung zu modellieren. Die Simulation umfasst 7 Millionen CPU-Kerne, die parallel arbeiten, und erzeugt damit das umfassendste Bild unseres galaktischen Zuhauses, das je erstellt wurde.

Wissenschaftliche Implikationen und Einschränkungen

Die Auswirkungen auf die Astronomie sind tiefgreifend. Forscher können nun nachverfolgen, wie Elemente, die für Leben essentiell sind - Kohlenstoff, Sauerstoff und Eisen - sich durch Supernova-Explosionen in der Milchstraße verteilen. 'Dies hilft uns zu verstehen, wie die Bausteine von Planeten und Leben selbst durch die Milchstraße verteilt wurden,' bemerkte ein Astrophysiker der Universitat de Barcelona, der am Projekt mitarbeitete.

Die Forscher räumen jedoch Einschränkungen ein. Das KI-Modell wurde unter spezifischen Bedingungen trainiert und bietet Näherungen statt exakter Berechnungen. Auch wenn es Supernovae effizient behandelt, erfordern andere komplexe Prozesse wie Schwarze-Loch-Bildung und Sternentstehung aus Gaswolken noch traditionelle Rechenmethoden.

Breitere Anwendungen

Die Technologie hat Anwendungen außerhalb der Astrophysika. Der gleiche KI-beschleunigte Ansatz könnte Klimamodellierung, Wettervorhersage und andere Bereiche, die die Integration von Prozessen über verschiedene Skalen erfordern, revolutionieren. 'Dies repräsentiert eine fundamentale Verschiebung in unserer Herangehensweise an Multi-Skalen-, Multi-Physik-Probleme,' betonte Dr. Hirashima. 'KI bewegt sich über Mustererkennung hinaus und wird zu einem echten Werkzeug für wissenschaftliche Entdeckungen.'

Die Forschung wurde auf der SC '25 Supercomputing-Konferenz präsentiert und markiert eine neue Ära in der computergestützten Wissenschaft, in der künstliche Intelligenz und traditionelle Physik-Simulationen zusammenarbeiten, um Geheimnisse des Universums zu entschlüsseln, die bisher außerhalb unserer Reichweite lagen.