Astrofizycy po raz pierwszy wykorzystali możliwości, jakie oferuje sztuczna inteligencja do wygenerowania złożonej trójwymiarowej symulacji Wszechświata. Okazało się, że algorytm stworzył tak dokładną symulację, że naukowcy nie potrafią do końca zrozumieć jej działania.

Symulacje komputerowe mają istotne znaczenie dla astrofizyki teoretycznej. Dzięki nim, badacze mogą lepiej zrozumieć, w jaki sposób kosmos mógłby ewoluować w różnych scenariuszach, gdyby np. ciemna energia zmieniała się w czasie.

Najbardziej dokładne symulacje obliczają, w jaki sposób grawitacja przesuwa każdą z miliardów pojedynczych cząstek na przestrzeni całego istnienia Wszechświata. Taki poziom dokładności wymaga jednak czasu – na wykonanie jednej symulacji potrzeba około 300 godzin obliczeniowych. Szybsze metody pozwalają ukończyć te same symulacje już w ciągu około dwóch minut, lecz odbywa się to kosztem mniejszej dokładności.

Zespół pod kierownictwem Siyu He z Instytutu Flatiron skorzystał z modelu Deep Density Displacement Model (D3M). Naukowcy udoskonalili głęboką sieć neuronową, o którą opiera się model D3M, dostarczając jej 8 tysięcy różnych symulacji z modelu komputerowego, cechującego się najwyższą dokładnością. Sieci neuronowe pobierają dane do treningu i przeprowadzają obliczenia na podstawie dostępnych informacji. Następnie naukowcy porównują wynik końcowy z oczekiwanym wynikiem. Dalsze szkolenie powoduje, że sieci neuronowe z czasem dostosowują się do szybszego uzyskiwania precyzyjniejszych wyników.

Po przeszkoleniu modelu D3M, naukowcy wykorzystali go do symulacji Wszechświata o szerokości 600 milionów lat świetlnych, a następnie porównali rezultaty z wynikami, które wygenerowały powolne i szybkie modele. Powolne i dokładne podejście potrzebowało setek godzin na wykonanie symulacji, natomiast szybka metoda przyniosła efekty już w ciągu kilku minut. Tymczasem wyniki dostarczone przez model D3M, oparty o sztuczną inteligencję, przerosły wszelkie oczekiwania.

Naukowcy z zaskoczeniem odkryli, że model D3M ukończył symulację w zaledwie 30 milisekund przy błędzie względnym na poziomie 2,8%. Dla porównania, szybki model, który potrzebował kilku minut na wykonanie symulacji Wszechświata, uzyskał błąd względny na poziomie aż 9,3%. Jednak największym zaskoczeniem był fakt, że model D3M potrafił dokładnie symulować wygląd Wszechświata w sytuacji, gdy jego niektóre parametry uległy zmianie, choć algorytm nie został nawet do tego wyszkolony.

Dlatego naukowcy sami przyznają, że nie rozumieją do końca zasady działania kompleksowej symulacji Wszechświata, jaką wykonał model D3M. Wiadomo jednak, że sztuczna inteligencja może okazać się niezwykle przydatna w astrofizyce teoretycznej i z pewnością wyniesie badania na jeszcze wyższy poziom.