日本團隊用AI打造史上最精細銀河系模擬 百億顆恆星動態一覽無遺

記者林育如／編譯

日本研究團隊創造了一個前所未有的銀河系模擬，能追蹤超過1000億顆恆星的動態，並以曾被認為不可能的速度完成計算。這項突破由 理研跨領域理論與數學科學中心（iTHEMS, RIKEN Center for Interdisciplinary Theoretical and Mathematical Sciences） 的平島慶也教授領軍，並與東京大學（The University of Tokyo） 及西班牙巴塞隆納大學（Universitat de Barcelona） 合作完成。研究團隊運用人工智慧（AI）學習超新星爆炸的演化，並將其與大尺度物理模型結合，成功生成了比以往模型精細100倍的銀河模擬，而且速度也快了超過100倍。

長期以來，天文學家一直希望建立一個足夠精細的銀河模型，以追蹤每顆恆星的軌跡，幫助驗證銀河系形成、結構演變及恆星演化的理論。然而，這項工作極具挑戰性，因為模擬需同時考慮重力、氣體流動、超新星爆炸及元素生成等多重物理過程，且每個過程發生的時間與空間尺度差異極大。以往的頂尖模擬最多只能處理大約十億太陽質量，模型中的每個「粒子」代表約100顆恆星，無法呈現個別恆星的小尺度行為。

傳統超級電腦在處理這類精細模擬時，計算負荷極高。若要追蹤每顆恆星，模擬銀河系1百萬年的演化需要約315小時，若模擬10億年則超過36年。增加更多運算核心並非解決之道，因為能源消耗巨大且效率不成比例。

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當研究團隊檢視這些太空孢子時，驚訝不已。「我們原本預期為突破限制，研究團隊設計了結合深度學習的「代理模型」策略。這個模型經由高解析度超新星模擬訓練，能學習爆炸後10萬年氣體擴散的行為，而無需占用主模擬的龐大資源。這使得整個模擬既能捕捉銀河系的整體運動，也能呈現超新星等事件的細節。團隊還使用 理研的Fugaku超級電腦 與 東京大學的Miyabi超級電腦系統（Miyabi Supercomputer System, The University of Tokyo） 驗證結果的準確性。

令人驚嘆的是，這套方法使得模擬1百萬年僅需2.78小時，模擬10億年也只需115天，而非36年。這不僅在天文物理領域開創新紀元，也可能徹底改變氣候、海洋與天氣等多尺度模擬，使小尺度與大尺度過程的關聯能被精準再現。

平島慶也教授表示，「AI與高效能計算的整合，將根本改變我們處理多尺度、多物理問題的方式。這也證明AI不只是模式識別工具，更能成為科學發現的真正利器，幫助追蹤構成生命元素的生成歷程。」這項研究標誌著銀河系模擬進入前所未有的精細時代，也為科學家探索宇宙提供了強大新工具。

資料來源：SciTechDaily、nanowerk.com