شبیه سازی کل کیهان روی یک لپ تاپ میسر شد

مدل‌سازی ساختار عظیم کیهانی، از کهکشان‌ها و خوشه‌ها گرفته تا رشته‌های کیهانی، همواره نیازمند ابرکامپیوترها و زمان پردازشی بسیار طولانی بوده است. حالا گروهی از پژوهشگران با معرفی ابزاری موسوم به Effort.jl، نشان داده‌اند که می‌توان شبیه سازی گیتی را با دقت بالا و تنها در چند دقیقه روی یک لپ‌تاپ ساده هم انجام داد.

جهان در مقیاس بزرگ مانند یک شبکه سه‌بعدی عظیم از کهکشان‌ها و فضاهای خالی به هم پیوسته است؛ ساختاری که به آن شبکه کیهانی (Cosmic Web) می‌گویند. برای درک چنین پدیده‌ای، پژوهشگران از مدل‌های نظری پیچیده مانند EFTofLSS (نظریه میدان مؤثر ساختار در مقیاس بزرگ) استفاده می‌کنند. این مدل‌ها با ترکیب داده‌های رصدی و قوانین فیزیک، توضیحی آماری از ساختار کیهان ارائه می‌دهند.

با وجود توانایی بالای این مدل‌ها، شبیه‌سازی و اجرای آن‌ها بسیار زمان‌بر است و به منابع محاسباتی عظیم نیاز دارد. با افزایش سریع داده‌های نجومی، به‌ویژه از پروژه‌هایی مانند DESI و فضاپیمای اقلیدس، نیاز به روش‌های سریع‌تر و کم‌هزینه‌تر بیش از همیشه احساس می‌شود. اینجا است که شبیه‌سازهایی مانند Effort.jl اهمیت پیدا می‌کنند.

Effort.jl چگونه کار می‌کند؟

Effort.jl اساساً یک شبیه‌ساز هوشمند است که رفتار مدل‌های کیهانی را تقلید می‌کند. در قلب آن یک شبکه عصبی قرار دارد که با خروجی‌های مدل اصلی آموزش داده می‌شود و سپس می‌تواند نتایج مشابه را برای ورودی‌های جدید پیش‌بینی کند.

نوآوری اصلی Effort.jl در این است که از دانش فیزیکی موجود درباره تغییرات پارامترها از همان ابتدا در الگوریتم استفاده می‌کند. این طرح همچنین از گرادیان‌ها (نرخ تغییرات خروجی در برابر تغییرات کوچک پارامترها) برای ساده‌تر کردن طرح بهره می‌برد. این رویکرد باعث می‌شود فرآیند یادگیری بسیار سریع‌تر باشد، نیاز به داده آموزشی کمتر شود و بتوان شبیه‌ساز را روی سیستم‌های کوچکی مثل لپ‌تاپ اجرا کرد.

دقت بی‌نظیر بدون هزینه ای در حد سوپرکامپیوتر

برای اطمینان از صحت عملکرد، پژوهشگران از موسسات INAF و دانشگاه‌های پارما ایتالیا و واترلو کانادا، ابزار Effort.jl را روی داده‌های شبیه‌سازی و داده‌های واقعی آزمایش کردند. نتایج که در نشریه Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (JCAP) منتشر شده، نشان می‌دهد این شبیه‌ساز به دقت مدل اصلی عمل می‌کند و در برخی موارد حتی جزئیات بیشتری را هم پوشش می‌دهد.

مارکو بونیچی، نویسنده اصلی پژوهش در خصوص عملکرد طرح ارائه شده می‌گوید:

مدل‌های نظری مثل EFTofLSS شبیه مطالعه آب در سطح اتمی هستند؛ بسیار دقیق اما محاسبات آن‌ها به‌شدت سنگین است. Effort.jl به ما امکان می‌دهد همان نتایج را با هزینه محاسباتی بسیار کمتر به دست آوریم.

با توجه به حجم عظیم داده‌هایی که پروژه‌هایی فضایی جاری مانند تلسکوپ‌های جیمز وب و دیگر طرح‌های مستقر در زمین و فضا در سال‌های آینده تولید خواهند کرد، ابزارهایی مانند Effort.jl می‌توانند نقش حیاتی در تحلیل سریع و دقیق اطلاعات ایفا کنند. این شبیه‌ساز نه‌تنها سرعت تحلیل را چندین برابر افزایش می‌دهد، بلکه امکان بررسی بخش‌هایی از داده را که در مدل‌های اصلی به دلیل محدودیت زمان کنار گذاشته می‌شوند نیز فراهم می‌سازد.

برای اطلاعات بیشتر در مورد این طرح می‌توانید به این صفحه منتشر شده مراجعه کنید.