Vesmír je tkaný do obrovské kosmické sítě galaxií, shluků a vláken, ale modelování takové složitosti vždy vyžadovalo superpočítače a nesmírnou dobu.
Nyní vědci zavedli úsilí.JL, inovativní emulátor, který napodobuje chování pokročilých kosmologických modelů s výrazným přesnostNěkdy se na ně dokonce zlepšuje, zatímco běží během několika minut na notebooku.
Obrovská kostra vesmíru
Jedna galaxie se může zdát obrovská, ale ve srovnání s celým vesmírem to není nic jiného než přesně. Nespočet galaxií se shromažďuje do klastrů, které se spojují do obrovských superklustů. Tyto sestavují do nesmírných vláken prokládaných prázdnými oblastmi a vytvářejí kolosální trojrozměrný rámec známý jako kosmický web.
Snažit se pochopit takovou obrovskou strukturu není zdaleka jednoduché. Abychom to pochopili, vědci spojují fyzické teorie vesmíru s pozorováním dalekohledů a jiných nástrojů. Poté konstruují teoretické modely, jedním z nejdůležitějších je EFTOFLSS (efektivní teorie pole rozsáhlé struktury). Díky datům jako vstupem tyto modely poskytují statistický popis kosmického webu a umožňují vypočítat své základní vlastnosti.
Proč na emulátorech záleží v kosmologii
Ačkoli jsou silné modely jako EFTOFLSS, vyžadují obrovské množství výpočetního času a zdrojů. Vzhledem k tomu, že astronomické datové sady se rozšiřují zrychlujícím tempem, potřebují vědci efektivnější metody zpracování informací bez ohrožení přesnosti. To je místo, kde přicházejí emulátory. Replikují chování složitých modelů při práci mnohem rychleji.
Zkratky samozřejmě vyvolávají obavy z přesnosti. Abych to vyřešil, spolupráce zahrnující inaf (Itálie), University of Parma (Itálie) a University of Waterloo (Kanada) testoval nově vyvinutý emulátor s názvem úsilí.jl. Jejich výsledky, publikované v časopise Journal of Cosmology a AstroParticle Physics (JCAP), odhalují, že úsilí.jl odpovídá přesnosti původního modelu, který reprodukuje, a v některých případech dokonce poskytuje jemnější detaily. Je pozoruhodné, že tyto úkoly může provádět během několika minut na typickém notebooku, než se spoléhat na superpočítač.
Od molekul vody po galaxie
„Představte si, že chcete studovat obsah sklenice vody na úrovni jejích mikroskopických komponent, jednotlivých atomů nebo dokonce menší: teoreticky můžete. Ale pokud bychom chtěli podrobně popsat, co se stane, když se voda pohybuje, výbušný růst požadovaných výpočtů znemožňuje,“ vysvětluje Marco Bonic, vědec na University of Waterloo a první autor studie.
„Můžete však zakódovat určité vlastnosti na mikroskopické úrovni a vidět jejich účinek na makroskopické úrovni, konkrétně pohyb tekutiny ve skle. To je to, co dělá efektivní teorie pole, tj. Model jako Eftoflss, kde voda v mém příkladu je vesmír ve velmi velkých stupnicích a mikroskopické komponenty jsou fyzikální procesy.“
Teoretický model statisticky vysvětluje strukturu, která vede ke shromážděným datům: astronomická pozorování jsou přiváděna k kódu, který vypočítá „predikci“. To však vyžaduje čas a podstatný výpočet. Vzhledem k dnešnímu objemu dat – a to, co se očekává od průzkumů, které právě začaly nebo přicházejí brzy (např. Desikterý již vydal svou první dávku dat a Euclid) – není to praktické dělat to vyčerpávajícím pokaždé.
Jak úsilí.jl se učí rychleji
„Proto se nyní obracíme na emulátory, jako je naše, které mohou drasticky zkrátit čas a zdroje,“ pokračuje Bonici. Emulátor v podstatě napodobuje to, co model dělá: jeho jádro je neuronová síť, která se učí spojit vstupní parametry s již vypočítanými předpovědi modelu. Síť je vyškolena na výstupech modelu a po tréninku může zobecnit kombinaci parametrů, které neviděla. Emulátor „nerozumí“ samotné fyzice: velmi dobře zná reakce teoretického modelu a může předvídat, co by vydal pro nový vstup.
Originalita úsilí. Úsilí.jl také používá gradienty – „Kolik a jakým směrem“ se předpovědi mění, pokud vyladíte parametr malým množstvím – další prvek, který pomáhá emulátoru učit se z mnohem méně příkladů, snižuje výpočetní potřeby a umožňuje mu běžet na menších strojích.
Testován přesnost, schválen vesmír
Nástroj, jako je tento, potřebuje rozsáhlé ověření: Pokud emulátor nezná fyziku, jak jsme si jisti, že jeho zkratka poskytuje správné odpovědi (tj. Stejné, které by model dal)? Nově publikovaná studie přesně odpovídá, což ukazuje, že přesnost úsilí.JL – na simulované i reálné údaje – je s modelem v úzké shodě.
„A v některých případech, kdy s modelem musíte oříznout část analýzy, abyste věci zrychlili, s úsilím. Úsilí.jl se tedy objevuje jako cenný spojenec pro analýzu nadcházejících vydání dat z experimentů jako Desi a Euclid, které slibují výrazně prohloubit naše znalosti vesmíru na velkých měřítcích.
Studie „Úsilí.JL: Rychlý a diferencovatelný emulátor pro efektivní teorii pole ve velkém měřítku struktury vesmíru“ od Marco Bonic, Guido d’Amico, Julien Bel a Carmelita Carbone je k dispozici v Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (JCAP).
Nikdy nezmeškáte průlom: Připojte se k zpravodaji Scitechdaily.
