إنشاء محاكاة جديدة للثقوب السوداء باستخدام Codex
يستكشف عالم فيزياء فلكية حاسوبية أطراف الكون المعروف بينما يعمل على بناء أول صورة متحركة لثقب أسود.
«تغيّر هذه الأدوات الطريقة التي نمارس بها العلم على نحو جوهري للغاية.»
دراسة حافة الكون
توجد الثقوب السوداء على حافة الكون وهي أجرام سماوية يصعب على علماء الفلك دراستها. إنها لا تصدر ضوءًا، ولا يمكن التقاطها مباشرة لأنها بعيدة جدًا - ستحتاج إلى تلسكوب بحجم الأرض لرؤيتها - والفيزياء التي تحكمها لا تتوافق دائمًا مع فهمنا الحالي.
لا شيء من هذا يعد خبرًا لعالم الفيزياء الفلكية الحسابي Chi-kwan «CK» Chan. يدرس CK، الأستاذ في جامعة أريزونا، الثقوب السوداء منذ أكثر من 20 عامًا. في عام 2019، كان جزءًا من تعاون Event Horizon Telescope الذي أنتج أول صورة للثقب الأسود. هذا العام، وبدعم من مؤسسة العلوم الوطنية(يفتح في نافذة جديدة)، يسعون لتحقيق هدف أكثر طموحًا: إنشاء أول صورة متحركة للثقب الأسود.
يجمع سي كيه البيانات من التلسكوب الراديوي 12 مترًا بمرصد أريزونا الراديوي في مرصد كيت بيك الوطني.
«كانت الثقوب السوداء في الأصل قائمة على النظرية. لذا فمن المثير للغاية أننا قادرون على رصدها.» —تشي-كوان «سي كيه» تشان
يتطلب فهم ما هو مفقود بناء نماذج أفضل: تقريبات رياضية تصف كيف تتصرف المادة في ظل ظروف قصوى. لكن هذه المعادلات معقدة للغاية. حتى أكبر الحواسيب الفائقة تكافح لحلها، وقد يستغرق تطوير مقاربات جديدة سنوات من العمل. لذلك لجأ سي كيه إلى Codex للمساعدة في تسريع هذه العملية.
«كان سيستغرق مني الأمر عشرة أيام للتوصل إلى عشرة تقريبات جديدة. مع Codex، يمكن إنجاز ذلك في دقائق.»
سي كيه يكتب تقريبًا ليطّلع عليه طلابه.
يقود سي كيه نقاشًا جماعيًا لطلابه في جامعة أريزونا.
تقريب رياضي مكتوب بخط يد سي كيه.
تقنيات جديدة، ومقاربات جديدة
نظرًا لأن الثقوب السوداء تبعد مسافات طويلة جدًا عن الأرض، فإن الطريقة الوحيدة لدراستها هي قياس البلازما التي تسقط فيها. ينشئ سي كيه محاكاة للبلازما ثم يقارنها ببيانات الرصد التي تُجمع في التلسكوبات. يقول سي كيه: «لكن عمليات المحاكاة قاصرة.» «عندما نقارن المحاكاة بالرصد، ندرك أن البلازما حول الثقوب السوداء منخفضة الكثافة جدًا، لذا لا يمكننا تقريب البلازما حقًا باعتبارها مائعًا.» والطريقة الوحيدة التي يستطيع سي كيه بها محاكاتها بشكل صحيح هي تتبّع الإلكترونات والأيونات الفردية. «وهذه ببساطة مشكلة مستعصية حسابيًا.»
يستخدم سي كيه Codex للعثور على خوارزميات عددية جديدة يمكن أن تساعده في إنشاء محاكاة أسرع وأكثر استقرارًا من خلال تنفيذ مهارة وكيل كتبها. «مع Codex، أصبحنا الآن قادرين على اكتشاف تحويلات إحداثية وخوارزميات جديدة تلقائيًا يمكنها تسريع هذه الحسابات بمعامل قدره 1000. وهذا يتيح لنا إجراء محاكاة لم تكن ممكنة من قبل.»
لا يزال على سي كيه تنفيذ كل تقريب ينشئه Codex والتحقق منه، لكن هذا النهج سرّع سير عمله ويتيح له التركيز أكثر من وقته على البحث. (تعمّق أكثر في الجوانب العلمية وراء الثقوب السوداء والأبحاث التي يجريها سي كيه.)
«لفترة طويلة جدًا، كان على الفلكيين والعلماء أن يكونوا مطورين ممتازين كي يحلوا مشكلاتنا. تتيح لنا AI العودة إلى التركيز على الأسئلة العلمية بدلًا من جانب البرمجة.»
يُعد التلسكوب الراديوي 12 مترًا في مرصد أريزونا الراديوي بكيت بيك واحدًا من أحد عشر مرصدًا في شبكة Event Horizon Telescope.
يساعد Codex سي كيه على مراجعة الشيفرة العلمية واكتشاف الأخطاء في الإحصاء والطرق العددية، مما يساعده على إنتاج نتائج أكثر موثوقية.
سي كيه داخل غرفة التحكم في التلسكوب الراديوي 12 مترًا بمرصد أريزونا الراديوي.
مستقبل الاكتشاف
يجمع سي كيه وفريق Event Horizon Telescope حاليًا بيانات عن الثقوب السوداء؛ ويأملون في إصدار أول صورة متحركة في وقت ما من عام 2027. وسي كيه متحمس لما قد يتعلمه. يقول: «إذا نجحنا في التقاط هذا الفيديو الأول لثقب أسود، فسيفتح ذلك عصرًا جديدًا من الفيزياء الفلكية للثقوب السوداء على نطاق الأفق وفي المجال الزمني.» «سيسمح لنا بدراسة كيفية تصرف البلازما في بعض أكثر البيئات تطرفًا في الكون.»
«إذا كنت فضوليًا تجاه العالم من حولك، فستواصل البحث عن إجابات جديدة. وهكذا نتعلم. وهكذا نطوّر تقنيتنا ونطوّر حضارتنا.» —تشي-كوان «سي كيه» تشان
سي كيه مع رام ونايرا وهايدن، ثلاثة من طلابه في جامعة أريزونا، يعملون أيضًا على تحليل بيانات الثقوب السوداء وإنشاء محاكاة جديدة.
«أنحدر من عائلة شعبية في هونغ كونغ. لذا أشعر أنني محظوظ للغاية لأنني قادر على العمل في طليعة أبحاث الثقوب السوداء.» —تشي-كوان «سي كيه» تشان
«البشر مستكشفون. وعلم الفلك هو حدّنا الأقصى في الاستكشاف. لذا فهذه إحدى الطرق التي تمكّن المعرفة البشرية من بلوغ حافة الكون.»