Neue Simulationen schwarzer Löcher mit Codex erstellen
Ein computergestützter Astrophysiker erkundet die Ränder des bekannten Universums, während er daran arbeitet, das erste Bewegtbild eines schwarzen Lochs zu erstellen.
„Diese Tools verändern auf sehr grundlegende Weise, wie wir Wissenschaft betreiben.“
Den Rand des Universums erforschen
Schwarze Löcher existieren am Rand unseres Universums und sind für Astronom:innen schwer zu untersuchende Himmelsobjekte. Sie senden kein Licht aus, lassen sich nicht direkt erfassen, weil sie so weit entfernt sind – man bräuchte ein Teleskop von der Größe der Erde, um eines zu sehen – und die Physik, die sie bestimmt, passt nicht immer zu unserem heutigen Verständnis.
Für den computergestützten Astrophysiker Chi-kwan „CK“ Chan ist all das nichts Neues. CK, Professor an der University of Arizona, erforscht seit über 20 Jahren schwarze Löcher. 2019 war er Teil der Event-Horizon-Telescope-Kollaboration, die das erste Bild eines schwarzen Lochs erzeugte. In diesem Jahr verfolgen sie mit Unterstützung der National Science Foundation(wird in einem neuen Fenster geöffnet) ein noch ehrgeizigeres Ziel: das erste Bewegtbild eines schwarzen Lochs zu erstellen.
CK sammelt Daten vom 12-m-Radioteleskop des Arizona Radio Observatory am Kitt Peak National Observatory.
„Schwarze Löcher beruhten ursprünglich auf Theorie. Deshalb ist es unglaublich spannend, dass wir sie beobachten können.“ – Chi-kwan „CK“ Chan
Um zu verstehen, was fehlt, müssen bessere Modelle entwickelt werden: mathematische Näherungen, die beschreiben, wie sich Materie unter extremen Bedingungen verhält. Doch diese Gleichungen sind unglaublich komplex. Selbst die größten Supercomputer haben Schwierigkeiten, sie zu lösen, und die Entwicklung neuer Ansätze kann jahrelange Arbeit erfordern. Deshalb wandte sich CK an Codex, um diesen Prozess zu beschleunigen.
„Ich würde zehn Tage brauchen, um zehn neue Näherungen zu entwickeln. Mit Codex lässt sich das in Minuten erledigen.“
CK schreibt eine Näherung auf, damit seine Studierenden sie überprüfen können.
CK leitet eine Gruppendiskussion für seine Studierenden an der University of Arizona.
Eine handschriftliche mathematische Näherung von CK.
Neue Technologie, neue Ansätze
Da schwarze Löcher so weit von der Erde entfernt sind, lassen sie sich nur untersuchen, indem man das Plasma misst, das in sie hineinfällt. CK erstellt Simulationen des Plasmas und vergleicht sie anschließend mit den Beobachtungsdaten, die an den Teleskopen gesammelt wurden. „Allerdings stoßen die Simulationen an Grenzen“, sagt CK. „Wenn wir Simulationen mit Beobachtungen vergleichen, stellen wir fest, dass das Plasma um schwarze Löcher eine sehr geringe Dichte hat; daher können wir das Plasma nicht wirklich als Flüssigkeit annähern.“ CK kann es nur korrekt simulieren, indem er den einzelnen Elektronen und Ionen folgt. „Und das ist ein rechnerisch schlicht unlösbares Problem.“
CK nutzt Codex, um neue numerische Algorithmen zu finden, die ihm helfen, schnellere und stabilere Simulationen zu erstellen, indem er eine von ihm geschriebene Agentenfähigkeit implementiert. „Mit Codex können wir jetzt automatisch neue Koordinatentransformationen und Algorithmen entdecken, die diese Berechnungen um den Faktor 1000 beschleunigen. So können wir Simulationen durchführen, die vorher nicht möglich waren.“
CK muss weiterhin jede von Codex erstellte Näherung implementieren und verifizieren, doch dieser Ansatz hat seinen Workflow beschleunigt und ermöglicht ihm, mehr Zeit auf die Forschung zu verwenden. (Mehr über die Wissenschaft hinter schwarzen Löchern und CKs Arbeit erfahren.)
„Sehr lange mussten Astronom:innen und Wissenschaftler:innen hervorragende Entwickler:innen sein, um unsere Probleme zu lösen. KI ermöglicht es uns, uns wieder auf die wissenschaftlichen Fragen statt auf den Programmierteil zu konzentrieren.“
Das 12-m-Radioteleskop des Kitt Peak Arizona Radio Observatory ist eines von elf Observatorien im Event-Horizon-Telescope-Netzwerk.
Codex hilft CK, wissenschaftlichen Code zu überprüfen und Fehler in Statistik und numerischen Methoden zu erkennen, sodass er verlässlichere Ergebnisse erzielen kann.
CK im Kontrollraum des 12-m-Radioteleskops des Arizona Radio Observatory.
Die Zukunft der Entdeckung
CK und das Event-Horizon-Telescope-Team sammeln derzeit Daten zu schwarzen Löchern; sie hoffen, das erste Bewegtbild irgendwann im Jahr 2027 zu veröffentlichen. CK ist gespannt, was er herausfinden könnte. „Wenn es uns gelingt, dieses erste Video eines schwarzen Lochs aufzunehmen, wird das eine neue Ära der zeitabhängigen Astrophysik schwarzer Löcher auf Horizontskala eröffnen“, sagt er. „Es wird uns ermöglichen zu untersuchen, wie sich Plasma in einigen der extremsten Umgebungen des Universums verhält.“
„Wenn du neugierig auf die Welt um dich herum bist, suchst du einfach weiter nach neuen Antworten. Und so lernen wir. So bringen wir unsere Technologie voran, so bringen wir unsere Zivilisation voran.“ – Chi-kwan „CK“ Chan
CK mit Ram, Nayera und Hayden, drei seiner Studierenden von der University of Arizona, die ebenfalls an der Analyse von Daten zu schwarzen Löchern und der Erstellung neuer Simulationen arbeiten.
„Ich komme aus einer einfachen Familie in Hongkong. Deshalb fühle ich mich unglaublich glücklich, an der vordersten Front der Forschung zu schwarzen Löchern arbeiten zu können.“ – Chi-kwan „CK“ Chan
„Menschen sind Entdecker:innen. Und die Astronomie ist unsere ultimative Grenze der Erkundung. So kann menschliches Wissen bis an den Rand des Universums gelangen.“