هناك طريقة جديدة لمحاكاة المستعرات الأعظم يمكن أن تلقي الضوء على أصول كوننا. المستعرات الأعظم هي نجوم متفجرة تلعب دورًا حاسمًا في تكوين المجرات وتطورها. ومع ذلك، فإن نمذجة هذه الظواهر بدقة وكفاءة كان يمثل تحديًا كبيرًا. استخدم فريق يضم باحثين من جامعة طوكيو التعلم العميق لتعزيز محاكاة المستعرات الأعظم لأول مرة. يؤدي هذا التقدم إلى تسريع عمليات المحاكاة التي تعتبر بالغة الأهمية لفهم تكوين وتطور المجرات والتطور الكيميائي الذي أدى إلى الحياة.
عندما تسمع عن التعلم العميق، ربما تفكر في أحدث التطبيقات التي ظهرت هذا الأسبوع والتي يمكنها معالجة الصور بذكاء أو إنشاء نص يشبه الإنسان. قد يكون التعلم العميق مسؤولاً عن بعض الأعمال التي تتم خلف الكواليس لهذه الأشياء، ولكنه يستخدم أيضًا في مجموعة واسعة من مجالات البحث المختلفة. في الآونة الأخيرة، في حدث تقني يسمى هاكاثون، قام فريق بتطبيق التعلم العميق على التنبؤ بالطقس. وتبين أنها فعالة للغاية، الأمر الذي أثار أيضًا تفكير كيا هاكاشيما، وهو طالب دكتوراه في قسم علم الفلك بجامعة طوكيو.
تُظهر الصورة أعلاه مساحة واسعة من المجرة التي تتم محاكاتها. الدقة الزمنية منخفضة جدًا، حيث تبلغ كل "خطوة" من المحاكاة حوالي 100000 عام. تُظهر الصورة أدناه منطقة محددة تأثرت بانفجار المستعر الأعظم، بدقة زمنية أعلى، حيث تستغرق كل خطوة أقل من 10,000 سنة. تعمل هذه المناطق، جنبًا إلى جنب مع عمليات المحاكاة الأكثر عمومية، على تحسين دقة وكفاءة المحاكاة بشكل عام. المصدر: 2023هيراشيما وآخرون، NASA/JPL-Caltech/ESO/R.Hunt/Hubble/L.CalçadaCC-BY-ND
وقال هيراشيما: "الطقس ظاهرة معقدة للغاية، ولكن في النهاية يتعلق الأمر بحسابات ديناميكيات الموائع". "لذلك كنت أتساءل عما إذا كان بإمكاننا تعديل نموذج التعلم العميق المستخدم للتنبؤ بالطقس وتطبيقه على نظام سائل آخر، ولكن على نطاق أكبر بكثير ولا يمكننا الوصول إليه بشكل مباشر: مجال بحثي - انفجارات المستعرات الأعظم".
يحدث المستعر الأعظم عندما يحرق نجم ذو كتلة مناسبة معظم وقوده وينهار في انفجار ضخم. المستعرات الأعظم ضخمة جدًا بحيث يمكنها التأثير على مناطق واسعة من المجرة التي تعيش فيها. لو كان المستعر الأعظم قد حدث منذ مئات السنين على بعد بضع مئات من السنين الضوئية من الأرض، فمن المحتمل أنك لن تقرأ هذا المقال الآن. لذلك، كلما عرفنا المزيد عن المستعرات الأعظم، كلما تمكنا من فهم سبب وصول المجرات إلى ما هي عليه بشكل أفضل.
تظهر (يسار) تنبؤات من طريقة المحاكاة الحالية أثناء محاكاة المستعر الأعظم. (يمين) يُظهر نتائج التنبؤ لـ 3D-MIM، والتي تبدو قريبة جدًا من الطرق الرائدة الحالية، ولكن مع أوقات تنفيذ أقصر بكثير، وبالتالي توفير الوقت والطاقة وتكاليف الوقت الحسابي. مصدر الصورة: 2023هيراشيمايتال.
وقال هيراشيما: "المشكلة هي كم من الوقت يستغرق حساب الطريقة التي ينفجر بها المستعر الأعظم. حاليًا، تعمل العديد من نماذج المجرات طويلة المدى على تبسيط الطريقة التي ينفجر بها المستعر الأعظم إلى كرة مثالية لأن حساب ذلك سهل نسبيًا". "ومع ذلك، فهي في الواقع غير متماثلة للغاية. بعض مناطق غلاف المادة التي تشكل حدود الانفجار أكثر تعقيدًا من غيرها. لقد طبقنا التعلم العميق للمساعدة في تحديد أجزاء الانفجار التي تتطلب اهتمامًا أكثر أو أقل أثناء عمليات المحاكاة لضمان الدقة المثلى "
وبطبيعة الحال، التعلم العميق يتطلب تدريبا عميقا. اضطر هيراشيما وفريقه إلى إجراء مئات من عمليات المحاكاة، واستهلكت ملايين الساعات من وقت الكمبيوتر (أجهزة الكمبيوتر العملاقة متوازية للغاية، لذلك سيتم تقسيم هذه المدة الزمنية بين آلاف العناصر الحسابية المطلوبة). لكن نتائجهم أثبتت أن الأمر يستحق العناء.
وهم يأملون الآن في تطبيق طريقتهم على مجالات أخرى من الفيزياء الفلكية. على سبيل المثال، يتأثر تطور المجرات أيضًا بمناطق تشكل النجوم الكبيرة. يحاكي برنامج 3D-MIM عملية موت النجوم، وقد يُستخدم قريبًا لمحاكاة عملية ولادة النجوم. ويمكن حتى أن تجد استخدامًا خارج نطاق الفيزياء الفلكية في مجالات أخرى تتطلب دقة مكانية وزمانية عالية، مثل محاكاة المناخ والزلازل.
المرجع: Keiya Hiraشيما، Kana Moriwaki، Michiko S Fujii، Yutaka Hirai، Takayuki R Saitoh، وJunichiro Makino، "التنبؤ الزمكاني ثلاثي الأبعاد بتوسع قشرة المستعر الأعظم باستخدام التعلم العميق لمحاكاة المجرات عالية الدقة"، 18 سبتمبر 2023، الإشعارات الشهرية للجمعية الفلكية الملكية (الإشعارات الشهرية للجمعية الفلكية الملكية).
دوى:10.1093/منراس/ستاد2864
المصدر المجمع: ScitechDaily