Les chercheurs ont réalisé avec succès la première simulation de la Voie lactée au monde qui représente avec précision plus de 100 milliards d'étoiles individuelles sur une période de 10 000 ans. Cet exploit a été accompli en combinant l’intelligence artificielle (IA) avec des simulations numériques. Non seulement la simulation représente 100 fois plus d’étoiles individuelles que les modèles de pointe précédents, mais elle a également été produite plus de 100 fois plus rapidement.
Publié dans Actes de la Conférence internationale sur le calcul, les réseaux, le stockage et l'analyse haute performancel’étude représente une percée à l’intersection de l’astrophysique, du calcul haute performance et de l’IA. Au-delà de l’astrophysique, cette nouvelle méthodologie peut être utilisée pour modéliser d’autres phénomènes tels que le changement climatique et les régimes météorologiques.
Les défis de la simulation de la Voie Lactée
Les astrophysiciens ont tenté de créer une simulation de la Voie lactée jusqu'à ses étoiles individuelles, qui pourrait être utilisée pour tester les théories de la formation, de la structure et de l'évolution stellaire galactiques par rapport à des observations réelles. Les modèles précis de l’évolution des galaxies sont difficiles car ils doivent prendre en compte la gravité, la dynamique des fluides, les explosions de supernova et la synthèse d’éléments, dont chacun se produit à des échelles d’espace et de temps très différentes.
Jusqu’à présent, les scientifiques n’étaient pas en mesure de modéliser de grandes galaxies comme la Voie lactée tout en conservant une résolution élevée au niveau des étoiles. Les simulations de pointe actuelles ont une limite de masse supérieure d'environ un milliard de soleils, tandis que la Voie lactée compte plus de 100 milliards d'étoiles. Cela signifie que la plus petite « particule » du modèle est en réalité un amas d’étoiles groupant 100 soleils. Ce qui arrive aux étoiles individuelles est moyenné et seuls les événements à grande échelle peuvent être simulés avec précision.
Le problème sous-jacent est le nombre d’années entre chaque étape de la simulation : des changements rapides au niveau des étoiles individuelles, comme l’évolution des supernovae, ne peuvent être observés que si le temps entre chaque instantané de la galaxie est suffisamment court.
Limites informatiques et besoin d’innovation
Mais le traitement de délais plus petits prend plus de temps et plus de ressources de calcul. Outre la limite de masse actuelle, si la meilleure simulation physique conventionnelle à ce jour essayait de simuler la Voie lactée jusqu'à l'étoile individuelle, elle aurait besoin de 315 heures pour chaque million d'années de temps de simulation.
À ce rythme, simuler ne serait-ce qu’un milliard d’années d’évolution des galaxies prendrait plus de 36 ans en temps réel. Mais ajouter toujours plus de cœurs de supercalculateurs n’est pas une solution viable. Non seulement ils consomment une quantité incroyable d’énergie, mais un plus grand nombre de cœurs n’accélérera pas nécessairement le processus car l’efficacité diminue.
En réponse à ce défi, Keiya Hirashima du Centre RIKEN pour les sciences théoriques et mathématiques interdisciplinaires (iTHEMS) au Japon, avec des collègues de l'Université de Tokyo et de l'Université de Barcelone en Espagne, a développé une nouvelle approche combinant un modèle de substitution d'apprentissage profond avec des simulations physiques.
Le modèle de substitution a été formé sur des simulations à haute résolution d'une supernova et a appris à prédire comment le gaz environnant se dilate dans les 100 000 ans qui suivent une explosion de supernova, sans utiliser les ressources du reste du modèle. Ce raccourci d’IA a permis à la simulation de modéliser simultanément la dynamique globale de la galaxie ainsi que des phénomènes à petite échelle tels que les explosions de supernova.
Pour vérifier les performances de la simulation, l'équipe a comparé les résultats avec des tests à grande échelle utilisant le supercalculateur Fugaku de RIKEN et le système de superordinateur Miyabi de l'Université de Tokyo.
Des résultats révolutionnaires et des implications plus larges
Non seulement la méthode permet une résolution d’étoiles individuelles dans de grandes galaxies comptant plus de 100 milliards d’étoiles, mais la simulation d’un million d’années n’a pris que 2,78 heures. Cela signifie que le milliard d’années souhaité pourrait être simulé en seulement 115 jours, et non en 36 ans.
Au-delà de l’astrophysique, cette approche pourrait transformer d’autres simulations à plusieurs échelles, comme celles des sciences météorologiques, océaniques et climatiques, dans lesquelles les simulations doivent relier des processus à petite et à grande échelle.
« Je pense que l'intégration de l'IA au calcul haute performance marque un changement fondamental dans la façon dont nous abordons les problèmes multi-échelles et multi-physiques dans les sciences informatiques », déclare Hirashima.
« Cette réalisation montre également que les simulations accélérées par l'IA peuvent aller au-delà de la reconnaissance de formes pour devenir un véritable outil de découverte scientifique, nous aidant à retracer comment les éléments qui ont formé la vie elle-même ont émergé au sein de notre galaxie. »
