日本理化學(xué)研究所跨學(xué)科理論與數(shù)學(xué)科學(xué)中心（iTHEMS）的平島圭也團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合東京大學(xué)與西班牙巴塞羅那大學(xué)的研究人員，成功開(kāi)發(fā)出全球首個(gè)可追蹤千億顆獨(dú)立恒星在萬(wàn)年內(nèi)演化過(guò)程的銀河系模擬模型。這一突破性成果通過(guò)將人工智能技術(shù)與高性能數(shù)值模擬深度融合實(shí)現(xiàn)，其恒星數(shù)量規(guī)模較此前最復(fù)雜模型提升百倍，生成效率更是提高兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上。
該研究團(tuán)隊(duì)在2025年國(guó)際超級(jí)計(jì)算大會(huì)（SC '25）上公布的這項(xiàng)成果，標(biāo)志著天體物理學(xué)、超級(jí)計(jì)算與智能建模技術(shù)的深度融合取得重大進(jìn)展。其創(chuàng)新方法不僅適用于銀河系研究，更為地球系統(tǒng)科學(xué)領(lǐng)域的氣候預(yù)測(cè)、海洋環(huán)流模擬等大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)研究提供了全新范式。
傳統(tǒng)銀河系模擬長(zhǎng)期面臨精度與效率的雙重困境。要精確追蹤每顆恒星的演化軌跡，需同時(shí)計(jì)算引力相互作用、流體動(dòng)力學(xué)、核合成過(guò)程及超新星爆發(fā)等復(fù)雜物理現(xiàn)象，這些過(guò)程跨越從恒星尺度到星系尺度的巨大空間范圍，以及從數(shù)年到數(shù)百萬(wàn)年的時(shí)間跨度。此前最先進(jìn)的模型僅能模擬相當(dāng)于10億太陽(yáng)質(zhì)量的系統(tǒng)，且每個(gè)計(jì)算單元需代表約百顆恒星的平均行為，導(dǎo)致超新星爆發(fā)等小尺度事件無(wú)法精確呈現(xiàn)。
計(jì)算效率問(wèn)題更為嚴(yán)峻。以當(dāng)前最精細(xì)的物理模型計(jì)算，模擬銀河系100萬(wàn)年的演化需耗時(shí)315小時(shí)，完整呈現(xiàn)10億年演化歷程需要超過(guò)36年連續(xù)運(yùn)算。單純依靠增加超級(jí)計(jì)算機(jī)核心數(shù)量難以解決根本問(wèn)題——核心數(shù)增加不僅導(dǎo)致能耗指數(shù)級(jí)上升，還會(huì)因通信延遲等問(wèn)題引發(fā)計(jì)算效率下降。
研究團(tuán)隊(duì)提出的混合建模方案巧妙破解了這一難題。他們開(kāi)發(fā)出經(jīng)過(guò)超新星高分辨率模擬訓(xùn)練的深度學(xué)習(xí)替代模型，該模型可獨(dú)立預(yù)測(cè)爆炸后10萬(wàn)年的氣體擴(kuò)散過(guò)程，無(wú)需占用主模擬系統(tǒng)的計(jì)算資源。這種"物理引擎+智能外掛"的架構(gòu)，使研究者既能把握星系整體演化規(guī)律，又能精準(zhǔn)捕捉超新星遺跡等微觀現(xiàn)象。
通過(guò)與理化學(xué)研究所"富岳"超級(jí)計(jì)算機(jī)及東京大學(xué)"雅"計(jì)算系統(tǒng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證，新模型在保持單恒星分辨率的前提下，將100萬(wàn)年演化模擬時(shí)間壓縮至2.78小時(shí)，完整呈現(xiàn)10億年星系演化僅需115天。這種效率提升使得科學(xué)家首次具備在合理時(shí)間內(nèi)完成全尺度銀河系模擬的能力。
該技術(shù)的突破性不僅體現(xiàn)在天文學(xué)領(lǐng)域。研究團(tuán)隊(duì)指出，氣象預(yù)報(bào)中的云微物理過(guò)程、海洋環(huán)流中的渦旋演化、氣候模型中的區(qū)域能量交換等場(chǎng)景，都存在類似的多尺度耦合難題。這種將機(jī)器學(xué)習(xí)嵌入傳統(tǒng)物理框架的混合建模方法，為解決計(jì)算科學(xué)中普遍存在的"精度-效率"矛盾提供了創(chuàng)新思路。
平島圭也研究員表示："這項(xiàng)成果證明人工智能不僅能加速數(shù)值模擬，更能拓展科學(xué)發(fā)現(xiàn)的邊界。通過(guò)追溯重元素在銀河系中的傳播路徑，我們正在解開(kāi)生命起源的物質(zhì)之謎。"目前團(tuán)隊(duì)正將模型擴(kuò)展至包含暗物質(zhì)分布與星系碰撞等更復(fù)雜場(chǎng)景，相關(guān)數(shù)據(jù)已開(kāi)放供全球科研機(jī)構(gòu)使用。
