Δημιουργία νέων προσομοιώσεων μαύρων τρυπών με το Codex
Ένας υπολογιστικός αστροφυσικός εξερευνά τα άκρα του γνωστού σύμπαντος, καθώς εργάζεται για να δημιουργήσει την πρώτη κινούμενη εικόνα μιας μαύρης τρύπας.
«Αυτά τα εργαλεία αλλάζουν τον τρόπο με τον οποίο κάνουμε επιστήμη με πολύ θεμελιώδη τρόπο».
Μελετώντας τα άκρα του σύμπαντος
Οι μαύρες τρύπες υπάρχουν στα άκρα του σύμπαντός μας και είναι δύσκολα ουράνια αντικείμενα για μελέτη από τους αστρονόμους. Δεν εκπέμπουν φως, δεν μπορούν να αποτυπωθούν άμεσα επειδή βρίσκονται τόσο μακριά —θα χρειαζόσασταν ένα τηλεσκόπιο στο μέγεθος της Γης για να δείτε μία— και η φυσική που τις διέπει δεν συμφωνεί πάντα με την τρέχουσα κατανόησή μας.
Τίποτα από αυτά δεν είναι νέο για τον υπολογιστικό αστροφυσικό Chi-kwan «CK» Chan. Ο CK, καθηγητής στο Πανεπιστήμιο της Αριζόνα, μελετά τις μαύρες τρύπες εδώ και πάνω από 20 χρόνια. Το 2019, συμμετείχε στη συνεργασία Event Horizon Telescope, η οποία παρήγαγε την πρώτη εικόνα μιας μαύρης τρύπας. Φέτος, με την υποστήριξη του Εθνικού Ιδρύματος Επιστημών(ανοίγει σε νέο παράθυρο), επιδιώκουν έναν ακόμη πιο φιλόδοξο στόχο: τη δημιουργία της πρώτης κινούμενης εικόνας μιας μαύρης τρύπας.
Ο CK συλλέγει δεδομένα από το ραδιοτηλεσκόπιο 12 μ. του Arizona Radio Observatory στο Kitt Peak National Observatory.
«Οι μαύρες τρύπες βασίζονταν αρχικά στη θεωρία. Είναι λοιπόν εξαιρετικά συναρπαστικό που μπορούμε να τις παρατηρούμε». —Chi-kwan «CK» Chan
Η κατανόηση του τι λείπει απαιτεί την ανάπτυξη καλύτερων μοντέλων: μαθηματικών προσεγγίσεων που περιγράφουν πώς συμπεριφέρεται η ύλη υπό ακραίες συνθήκες. Όμως αυτές οι εξισώσεις είναι απίστευτα σύνθετες. Ακόμη και οι μεγαλύτεροι υπερυπολογιστές δυσκολεύονται να τις λύσουν, και η ανάπτυξη νέων προσεγγίσεων μπορεί να απαιτήσει χρόνια εργασίας. Έτσι, ο CK στράφηκε στο Codex για να βοηθήσει στην επιτάχυνση αυτής της διαδικασίας.
«Θα μου έπαιρνε δέκα ημέρες για να καταλήξω σε δέκα νέες προσεγγίσεις. Με το Codex, αυτό μπορεί να γίνει σε λίγα λεπτά».
Ο CK γράφει μια προσέγγιση για να την εξετάσουν οι φοιτητές του.
Ο CK συντονίζει μια ομαδική συζήτηση για τους φοιτητές του στο Πανεπιστήμιο της Αριζόνα.
Μια χειρόγραφη μαθηματική προσέγγιση από τον CK.
Νέα τεχνολογία, νέες προσεγγίσεις
Επειδή οι μαύρες τρύπες υπάρχουν τόσο μακριά από τη Γη, ο μόνος τρόπος να τις μελετήσουμε είναι μετρώντας το πλάσμα που πέφτει μέσα τους. Ο CK δημιουργεί προσομοιώσεις του πλάσματος και στη συνέχεια τις συγκρίνει με τα δεδομένα παρατήρησης που συλλέγονται στα τηλεσκόπια. «Ωστόσο, οι προσομοιώσεις υστερούν», λέει ο CK. «Όταν συγκρίνουμε την προσομοίωση με την παρατήρηση, συνειδητοποιούμε ότι το πλάσμα γύρω από τις μαύρες τρύπες έχει πολύ χαμηλή πυκνότητα, επομένως δεν μπορούμε πραγματικά να προσεγγίσουμε το πλάσμα ως ρευστό». Ο μόνος τρόπος με τον οποίο ο CK μπορεί να τις προσομοιώσει σωστά είναι παρακολουθώντας τα μεμονωμένα ηλεκτρόνια και ιόντα. «Και αυτό είναι απλώς ένα υπολογιστικά δυσεπίλυτο πρόβλημα».
Ο CK χρησιμοποιεί το Codex για να βρίσκει νέους αριθμητικούς αλγορίθμους που μπορούν να τον βοηθήσουν να δημιουργεί ταχύτερες, πιο σταθερές προσομοιώσεις, εφαρμόζοντας μια δεξιότητα πράκτορα που έγραψε. «Με το Codex μπορούμε πλέον να ανακαλύπτουμε αυτόματα νέους μετασχηματισμούς συντεταγμένων και αλγορίθμους που μπορούν να επιταχύνουν αυτούς τους υπολογισμούς κατά έναν παράγοντα 1000. Μας επιτρέπει να κάνουμε προσομοιώσεις που προηγουμένως δεν ήταν δυνατές».
Ο CK πρέπει ακόμη να υλοποιεί και να επαληθεύει κάθε προσέγγιση που δημιουργεί το Codex, αλλά αυτή η μέθοδος έχει επιταχύνει τη ροή εργασίας του και του επιτρέπει να αφιερώνει περισσότερο χρόνο στην έρευνα. (Εμβαθύνετε στην επιστήμη πίσω από τις μαύρες τρύπες και το έργο του CK.)
«Για πάρα πολύ καιρό, οι αστρονόμοι και οι επιστήμονες έπρεπε να είναι εξαιρετικοί προγραμματιστές για να λύνουν τα προβλήματά μας. Η TN μας επιτρέπει να εστιάζουμε ξανά στα επιστημονικά ερωτήματα αντί για το κομμάτι του προγραμματισμού».
Το ραδιοτηλεσκόπιο 12 μ. του Kitt Peak Arizona Radio Observatory είναι ένα από τα έντεκα αστεροσκοπεία στο δίκτυο Event Horizon Telescope.
Το Codex βοηθά τον CK να ελέγχει επιστημονικό κώδικα και να εντοπίζει λάθη στη στατιστική και τις αριθμητικές μεθόδους, βοηθώντας τον να παράγει πιο αξιόπιστα αποτελέσματα.
Ο CK μέσα στην αίθουσα ελέγχου του ραδιοτηλεσκοπίου 12 μ. του Arizona Radio Observatory.
Το μέλλον της ανακάλυψης
Ο CK και η ομάδα του Event Horizon Telescope συλλέγουν αυτήν τη στιγμή δεδομένα για μαύρες τρύπες· ελπίζουν να δημοσιεύσουν την πρώτη κινούμενη εικόνα κάποια στιγμή το 2027. Ο CK ανυπομονεί για όσα μπορεί να μάθει. «Αν καταφέρουμε να αποτυπώσουμε αυτό το πρώτο βίντεο μιας μαύρης τρύπας, θα ανοίξει μια νέα εποχή αστροφυσικής μαύρων τρυπών σε κλίμακα ορίζοντα και στο πεδίο του χρόνου», λέει. «Θα μας επιτρέψει να μελετήσουμε πώς συμπεριφέρεται το πλάσμα σε μερικά από τα πιο ακραία περιβάλλοντα του σύμπαντος».
«Αν είσαι περίεργος για τον κόσμο γύρω σου, θα συνεχίσεις απλώς να αναζητάς νέες απαντήσεις. Και έτσι μαθαίνουμε. Έτσι εξελίσσουμε την τεχνολογία μας, έτσι προάγουμε τον πολιτισμό μας». —Chi-kwan «CK» Chan
Ο CK με τους Ram, Nayera και Hayden, τρεις από τους φοιτητές του από το Πανεπιστήμιο της Αριζόνα, που εργάζονται επίσης στην ανάλυση δεδομένων μαύρων τρυπών και στη δημιουργία νέων προσομοιώσεων.
«Προέρχομαι από μια λαϊκή οικογένεια στο Χονγκ Κονγκ. Έτσι, νιώθω απίστευτα τυχερός που μπορώ να εργάζομαι στην αιχμή της έρευνας για τις μαύρες τρύπες». —Chi-kwan «CK» Chan
«Οι άνθρωποι είναι εξερευνητές. Και η αστρονομία είναι το απόλυτο σύνορο της εξερεύνησής μας. Επομένως, αυτός είναι ένας τρόπος για να φτάσει η ανθρώπινη γνώση στα άκρα του σύμπαντος».