Simulación digital colosal de más de cien mil millones de estrellas

Se ha ejecutado con éxito la primera simulación de la Vía Láctea que representa con precisión más de cien mil millones de estrellas individuales y que fácilmente puede comprimir 1 millón de años de existencia de tales estrellas en algo menos de 3 horas. Esta hazaña se logró mediante el uso de inteligencia artificial y supercomputadoras. La simulación no solo representa 100 veces más estrellas individuales que lo máximo conseguido en las mejores simulaciones previas, sino que además se produjo más de 100 veces más rápido.

El logro es obra de un equipo que incluye a expertos del Instituto RIKEN en Japón, la Universidad de Tokio y la de Barcelona (UB).

Este trabajo constituye un gran avance en la intersección entre la astrofísica, la computación de alto rendimiento y la inteligencia artificial. Más allá de la astrofísica, esta nueva metodología puede utilizarse para simular con gran precisión otros fenómenos como el cambio climático y los patrones meteorológicos.

Dos tomas, desde distintas perspectivas visuales, de una parte de la simulación. (Imágenes: RIKEN)

Durante mucho tiempo, en el campo de la astrofísica se ha estado intentando infructuosamente crear una simulación de la Vía Láctea hasta el nivel de sus estrellas individuales. Una simulación con tal grado de sofisticación puede utilizarse para comparar las teorías sobre la formación, la estructura y la evolución estelar de las galaxias con las observaciones astronómicas reales. Es difícil crear modelos digitales precisos de la evolución galáctica porque deben considerar la gravedad, la dinámica de fluidos, las explosiones de supernovas y la síntesis de elementos, procesos que ocurren en escalas espaciales y temporales muy diferentes.

Hasta ahora, no se había conseguido crear modelos digitales de galaxias enteras grandes como la Vía Láctea manteniendo al mismo tiempo una alta resolución en cuanto a sus estrellas individuales. Las simulaciones digitales convencionales más avanzadas tienen un límite superior de masa de aproximadamente mil millones de soles, mientras que la Vía Láctea tiene más de cien mil millones de estrellas. Esto significa que la “partícula” más pequeña en tales simulaciones es, en realidad, un conjunto de estrellas con una masa equivalente a la de cien soles. Lo que les sucede a las estrellas individuales se promedia, y solo los sucesos a gran escala pueden simularse con precisión. El problema fundamental reside en la cantidad de años entre cada paso de la simulación: los cambios rápidos a nivel de estrellas individuales, como la fase evolutiva final de una estrella masiva que la lleva a convertirse en supernova, solo pueden observarse si el tiempo entre cada “fotograma” de la galaxia es suficientemente corto.

Sin embargo, a mayor cantidad de “fotogramas” por unidad de tiempo, mayores son el tiempo y los recursos computacionales que se necesitan para el procesamiento. Además del límite de masa actual, si la mejor simulación de entre todas las convencionales creadas hasta ahora intentara reproducir la Vía Láctea hasta el nivel de las estrellas individuales, necesitaría 315 horas por cada millón de años de tiempo de simulación. A ese ritmo, simular mil millones de años de evolución galáctica requeriría más de 36 años de tiempo real.

Añadir más y más núcleos de supercomputadora no es una solución viable. No solo consumen una cantidad increíble de energía, sino que a medida que crece la cantidad de núcleos, su aprovechamiento tiende a ser cada vez menor.

En respuesta a este desafío, el equipo internacional encabezado por Keiya Hirashima, del Instituto RIKEN, desarrolló un nuevo enfoque basado en la inteligencia artificial. Gracias a esta estrategia y con la ayuda de supercomputadoras, la nueva simulación permite alcanzar la resolución de las estrellas individuales en galaxias grandes (con más de cien mil millones de estrellas), pero simular 1 millón de años tan solo tomó 2,78 horas. Esto significa que los mil millones de años de evolución galáctica antes mencionados podrían simularse en tan solo 115 días, no en 36 años.

Los detalles técnicos de la simulación han sido expuestos en el congreso internacional de supercomputación SC ’25, celebrado en San Luis de Misuri, Estados Unidos. (Fuente: NCYT de Amazings)