Znanstvenici su razvili emulator koji može u nekoliko minuta na prijenosnom računalu reproducirati rezultate za koje su prije bili potrebni superračunala.
Mapiranje svemira jedan je od najvećih izazova moderne kozmologije. Galaksije, jata i superjata galaksija tvore golemi trodimenzionalni kostur kozmosa, isprepleten vlaknima i prazninama. Da bismo ga razumjeli, znanstvenici koriste teorijske modele koji statistički opisuju ‘kozmičku mrežu’, no ti modeli zahtijevaju goleme računalne resurse. Novo istraživanje pokazuje kako se preciznost može sačuvati, a vrijeme izračuna drastično skratiti.
Jedan od najčešće korištenih pristupa je tzv. Effective Field Theory of Large-Scale Structure (EFTofLSS), odnosno efektivna teorija velike skale svemira. Ona povezuje opažanja teleskopa i instrumenata s matematičkim modelima koji objašnjavaju kako nastaje struktura svemira na velikim razmjerima.
Problem je u tome što EFTofLSS zahtijeva iznimno mnogo vremena i računalne snage. Budući da količina podataka iz novih istraživačkih programa stalno raste, potrebno je pronaći brže načine obrade bez gubitka točnosti.
Rješenje: emulatori
U tome pomažu tzv. emulatori – algoritmi koji “imitiraju” rezultate teorijskih modela, ali ih proizvode daleko brže. Funkcioniraju tako da koriste neuronske mreže, trenirane na već izračunatim podacima, i potom mogu predvidjeti rezultate za nove kombinacije parametara. Emulatori ne “razumiju” fiziku, ali vrlo vjerno reproduciraju odgovore koje bi dao složeni model.
Međunarodni tim istraživača sa Sveučilišta u Parmi i Waterloo te talijanskog INAF-a razvio je emulator Effort.jl i opisao ga u časopisu Journal of Cosmology and Astroparticle Physics. Studija pokazuje da Effort.jl daje rezultate jednake preciznosti kao i originalni model – u nekim slučajevima čak i detaljnije – a može se pokretati u roku od nekoliko minuta na običnom prijenosnom računalu.
Kako funkcionira
“Zamislite da želite opisati čašu vode na razini atoma. U teoriji je to moguće, no ako bismo pokušali pratiti kretanje svake pojedine molekule, potrebni izračuni postali bi praktički neizvedivi,” objašnjava Marco Bonici, istraživač sa Sveučilišta u Waterloo i glavni autor studije. “Umjesto toga, u model možemo ugraditi ključna svojstva mikroskale i pratiti njihovo djelovanje na većim razinama, primjerice u načinu na koji se tekućina giba. Upravo to je svrha efektivne teorije – u kontekstu svemira ona opisuje kako mali procesi oblikuju veliku strukturu.”
Emulator Effort.jl na tom principu koristi unaprijed poznate odnose: način na koji se predviđanja mijenjaju kada se parametri blago promijene. Zahvaljujući tome, može se trenirati na znatno manjem broju primjera i zahtijeva puno manje računalnih resursa. Dodatno, uključivanje gradijenata – informacija o smjeru i intenzitetu promjena – dodatno skraćuje proces učenja i čini ga učinkovitijim.
Provjera i pouzdanost
Jedno od ključnih pitanja bilo je može li emulator doista zamijeniti skupe i spore izračune. Istraživanje pokazuje da Effort.jl u potpunosti potvrđuje točnost, kako na simulacijama tako i na stvarnim podacima.
“U nekim slučajevima uspjeli smo uključiti i elemente koje smo u modelu morali izostaviti radi ubrzanja analize,” dodaje Bonici.
Alat poput Effort.jl mogao bi imati ključnu ulogu u obradi podataka iz velikih kartiranja svemira poput projekta DESI (koji je već objavio prve rezultate) i svemirskog teleskopa Euclid. Oba istraživanja trebala bi značajno produbiti naše razumijevanje kozmosa, a brz i pouzdan emulator omogućit će znanstvenicima da to bogatstvo podataka iskoriste u potpunosti.
