Astrophysik: Computersimulationen des Universums dank KI 1000-mal schneller

Mit Algorithmen hat eine Forschergruppe die Simulation riesiger Bereiche des Universums von Hunderten Stunden auf wenige Dutzend Minuten beschleunigen können.

Lesezeit: 3 Min.
In Pocket speichern
vorlesen Druckansicht Kommentare lesen 112 Beiträge

Eine Simulation in niedriger (LR), hoher (HR) und "Super-Auflösung" (SR).

(Bild: Y. Li et al./Proceedings of the National Academy of Sciences 2021)

Von
  • Martin Holland

Dank Künstlicher Intelligenz können große komplexe Universen nun ungefähr eintausend Mal schneller simuliert werden als mit konventioneller Technik. Das jedenfalls sagt eine Gruppe von Astrophysikerinnen und Astrophysikern, die ihre Arbeit nun vorstellen.

Demnach ist es ihnen gelungen, eine KI zu entwickeln, die aus niedrig aufgelösten Simulationen ganzer Regionen des Kosmos viel höher aufgelöste Modelle berechnen zu können. Das bringe teilweise dramatische Zeitersparnisse und könnte die Forschung mit kosmologischen Simulationen revolutionieren und bedeutende Entdeckungen ermöglichen.

Wie das Team um Yin Li vom Flatiron Institute nun erläutert, könne man das Universum mit gegenwärtiger Technik immer noch nicht gleichzeitig in großer Auflösung und großem Volumen simulieren. Dabei bezieht er sich auf Experimente wie IllustrisTNG, die bislang ambitionierteste Simulation der großräumigen Entwicklung unseres Universums. Damit können großräumige Strukturen erforscht werden, aber auch die Galaxienbildung und Sternentstehung. Bei IllustrisTNG waren mehr als ein Petabyte an Daten entstanden. Auch diese Simulation musste wegen der technischen Einschränkungen in verschiedenen Auflösungen durchgeführt werden, bestätigte aber am Ende wichtige Annahmen der modernen Kosmologie. Die nun im Fachmagazin Proceedings of the National Academy of Sciences vorgestellte Technik könnte diese Einschränkung künftig aufheben.

Zoom in eine Simulation mit wechselnden Ansichten (Dichte der Dunklen Materie, Gastemperatur, Metallizität des Gases, Sternenlicht, Gasdichte, Gasgeschwindigkeit) (Quelle: Illustris-Project.org)

Die Gruppe setzte demnach auf die KI-Technik GAN (Generative Adversarial Network), bei der zwei Algorithmen gegeneinander arbeiten. Einer nimmt gering aufgelöste Simulationen des Universums und generiert daraus höher aufgelöste, der zweite versucht diese von solchen zu unterscheiden, die auf klassischem Weg berechnet wurden. Mit der Zeit würden beide besser, bis sich die der Generator der höher aufgelösten Simulationen durchsetze. Zwei Jahre lang habe das aber nicht geklappt, gesteht Li nun ein, "aber plötzlich begann es zu funktionieren." Sie hätten dann "wunderschöne Resultate" bekommen, die dem entsprachen, was sie erwartet hatten. Selbst die meisten Menschen hätten diese in Blindtests nicht mehr unterscheiden können.

Simulationen verschieden großer Würfel – die Entfernungsangabe Megaparsec hier abhängig von der nicht genau bekannte Hubble-Konstante.

(Bild: Y. Li et al./Proceedings of the National Academy of Sciences 2021)

Eine Simulation eines Würfels mit einer Kantenlänge von etwa 560 Millionen Lichtjahren, der 134 Millionen Partikel enthält, würde mit klassischer Technik 560 Stunden auf einem Prozessorkern dauern. Mit ihrer Technik wären es nur 36 Minuten, erklären sie nun. Ein eintausend fach größeres Universum mit 134 Milliarden Partikeln würde derweil 16 Stunden benötigen und sei mit der klassischen Methode ohne Supercomputer gar nicht berechenbar. Bislang könne ihr Algorithmus aber nur Dunkle Materie und die Gravitationskraft einbeziehen. Andere Kräfte und Phänomene sollen aber künftig einbezogen werden, während die KI parallel zu klassischen Simulationen arbeitet, um noch genauer zu werden, auch wenn man noch nicht genau wüsste, wie man das angehen könnte, so Li.

(mho)