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主譯：畢逸飛

校對：鄒雲(yún)濤

審核：牧夫天文校對組

美編：張一帆

后臺：李子琦

銀河系由數(shù)千億顆恒星、氣體和暗物質(zhì)構(gòu)成。如果我們要理解這類星系在宇宙歷史中是如何誕生和演化的，關(guān)鍵就在于定量了解各個恒星的運(yùn)動，以及大質(zhì)量恒星發(fā)生超新星爆發(fā)后回歸星際氣體，再由星際氣體誕生新恒星等的相互作用。

雖然我們通過觀測可以較好地了解星系中恒星的軌道和重元素的分布等，但要用解析方法再現(xiàn)銀河歷史仍然困難，因此數(shù)值模擬在銀河研究中扮演著重要角色。要進(jìn)行理想的模擬，需實(shí)際使用數(shù)千億個粒子來表示銀河，并盡可能縮短計(jì)算的時間步長。然而，這需要極其龐大的計(jì)算量，即便使用最先進(jìn)的超級計(jì)算機(jī)也需要數(shù)年時間，因此過去不得不使用空間和時間分辨率遠(yuǎn)低于真實(shí)銀河的粗糙模型來進(jìn)行模擬。此外，超新星爆發(fā)等急劇變化僅發(fā)生在銀河的極小部分，如果以短時間步長精確追蹤這些現(xiàn)象，會降低整個銀河的計(jì)算速度，并導(dǎo)致使用多個處理器的并行處理效率顯著下降。

日本理化學(xué)研究所數(shù)理創(chuàng)造研究中心（iTHEMS）的平島敬也（Keiya Hirashima）先生及其研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種方法，用AI 預(yù)測氣體運(yùn)動的代理（Surrogate）模型來替代需要短時間步長的超新星爆發(fā)計(jì)算部分，并在小型星系的計(jì)算中驗(yàn)證了其性能。

此次，平島等人新開發(fā)了AI 代理模型和計(jì)算硬件最優(yōu)化框架，終于成功進(jìn)行了銀河系規(guī)模的星系模擬。新的計(jì)算代碼將星系模擬的計(jì)算效率最多提高了約 20 倍。此外，通過在 GPU 上進(jìn)行深度學(xué)習(xí)模型的學(xué)習(xí)，在 CPU 側(cè)進(jìn)行模擬中的預(yù)測，也消除了 CPU 和 GPU 之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡却龝r間。

平島等人在世界頂級規(guī)模的 CPU 型超級計(jì)算機(jī) “富岳（Fugaku）”上，使用了15萬個節(jié)點(diǎn)（超過700萬個核心）的處理器，執(zhí)行了總粒子數(shù)達(dá)3000億個的銀河模擬。過去的星系模擬最多止步于數(shù)十億粒子，而這次計(jì)算使空間分辨率提高了100倍以上，實(shí)現(xiàn)了世界首次解析至銀河系中每一顆恒星的“逐星（star-by-star）”模擬。

■銀河氣體分布

模擬所得的某一時刻銀河氣體分布（左：從上方俯視銀河盤，右：從側(cè)面觀察銀河盤）。顏色越明亮的部分密度越高（圖片來源：Hirashima et al. (2025)）

通過這項(xiàng)模擬，現(xiàn)在可以一致地追蹤各個恒星的超新星爆發(fā)，隨之產(chǎn)生的氣體加熱、膨脹、冷卻等過程以及銀河整體的演化。此外，諸如恒星形成率、銀河內(nèi)外氣體流入流出率等銀河尺度上的統(tǒng)計(jì)量，也能以與傳統(tǒng)方法同等的精度再現(xiàn)。

今后，將運(yùn)用此方法進(jìn)行銀河的長時間演化計(jì)算，通過將恒星軌道、重元素豐度、年齡分布等直接與“蓋亞(Gaia)”空間天體測量衛(wèi)星等的觀測數(shù)據(jù)相比較，有望驗(yàn)證銀河旋臂、棒狀結(jié)構(gòu)、厚盤等結(jié)構(gòu)是如何形成的。同時，還能夠追蹤恒星形成和超新星爆發(fā)等如何引起星際氣體被加熱、攪拌，流出銀河或被重新吸入，從而貫通地研究氣體與元素的循環(huán)過程。該研究也有望觸及太陽系及生命材料物質(zhì)是在銀河的何種環(huán)境中、何時生成并運(yùn)送而來等根本性問題。

責(zé)任編輯：甘林

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智利阿塔卡馬沙漠，圖源：ESO

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