Πώς ένας αστροφυσικός προσομοιώνει μαύρες τρύπες με τη βοήθεια του Codex

Η βαρύτητα γύρω από μια μαύρη τρύπα είναι τόσο ισχυρή που τίποτα, ούτε καν το φως, δεν μπορεί να διαφύγει αν πλησιάσει αρκετά. Αστροφυσικοί όπως ο Chi-kwan Chan μελετούν τις μαύρες τρύπες με προσομοιώσεις σε υπολογιστή και παρατηρήσεις. Όμως οι σημερινοί αλγόριθμοι και η διαθέσιμη υπολογιστική ισχύς περιορίζουν τον ρεαλισμό αυτών των προσομοιώσεων.

Με το Codex, ο Chan —ερευνητής στο Πανεπιστήμιο της Αριζόνα και στο Αστεροσκοπείο Steward— προσπαθεί να αντιμετωπίσει αυτό το πρόβλημα.

Οι μαύρες τρύπες είναι από τα καλύτερα πεδία για να ελεγχθεί η γενική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν, εξηγεί. Η θεωρία αυτή είναι σήμερα η καλύτερη εξήγηση που έχουμε για τη βαρύτητα: δεν πρόκειται για μια δύναμη που έλκει τα αντικείμενα μεταξύ τους, αλλά για το αποτέλεσμα της καμπύλωσης του χωροχρόνου από τη μάζα και την ενέργεια.

Ο Chan συμμετέχει στη διεθνή συνεργασία Event Horizon Telescope (EHT), η οποία δημοσίευσε την πρώτη εικόνα μαύρης τρύπας το 2019. Η ομάδα συγκεντρώνει τώρα παρατηρήσεις για να δημιουργήσει το πρώτο βίντεο μιας υπερμεγέθους μαύρης τρύπας, εστιάζοντας σε εκείνη που βρίσκεται στο κέντρο του γαλαξία M87. 

Όμως, για να μετατραπούν οι παρατηρήσεις σε επιστημονική κατανόηση, απαιτείται επεξεργασία τεράστιου όγκου δεδομένων, υπολογιστικές διαδικασίες μεγάλης κλίμακας και προσομοιώσεις ικανές να μοντελοποιήσουν μερικά από τα πιο ακραία φυσικά φαινόμενα στο σύμπαν.

Επειδή το φως δεν μπορεί να διαφύγει από μια μαύρη τρύπα, οι επιστήμονες μελετούν την περιοχή γύρω της που ονομάζεται ορίζοντας γεγονότων, ένα όριο πέρα από το οποίο η ύλη δεν μπορεί να διαφύγει. «Είναι μια επιφάνεια πέρα από την οποία δεν υπάρχει επιστροφή», λέει ο Chan. Η ύλη που στροβιλίζεται ακριβώς έξω από αυτό το όριο εκπέμπει φως, το οποίο οι αστροφυσικοί μπορούν να δουν, να μετρήσουν και να προσομοιώσουν. 

Η εικόνα που δημοσίευσε το EHT το 2019 έδειχνε τη σκιά μιας μαύρης τρύπας μέσα σε λαμπερό πλάσμα κοντά στον ορίζοντα γεγονότων. Ο Chan συνέβαλε στην ανάπτυξη των εργαλείων προσομοίωσης και υπολογισμού που χρησιμοποίησε η ομάδα για να ερμηνεύσει τις παρατηρήσεις. Έκτοτε, ο Chan και οι συνάδελφοί του συνεχίζουν να βελτιώνουν τα όργανα και τις δυνατότητες παρατήρησής τους, καθώς η ομάδα περνά από τις στατικές εικόνες στα βίντεο.

Αντιμετωπίζοντας το πρόβλημα της σπειροειδούς κίνησης

Ένα από τα μεγαλύτερα εμπόδια για τον Chan και την ομάδα του είναι η μοντελοποίηση του πλάσματος γύρω από τις μαύρες τρύπες. Το πλάσμα είναι υπέρθερμη ύλη που αποτελείται από ηλεκτρικά φορτισμένα ηλεκτρόνια και ιόντα.

Σε πολλές προσομοιώσεις, οι επιστήμονες απλοποιούν την περιγραφή του πλάσματος αντιμετωπίζοντάς το ως ρευστό και χρησιμοποιούν γνωστές εξισώσεις για να μοντελοποιήσουν την κίνησή του γύρω από μια μαύρη τρύπα. Αυτή η προσέγγιση λειτουργεί αρκετά καλά στο πυκνότερο πλάσμα, όπου τα ηλεκτρόνια και τα ιόντα συγκρούονται συνεχώς μεταξύ τους. 

Όμως, κοντά στις υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες που μελετούν ο Chan και οι συνάδελφοί του, ορισμένες περιοχές γίνονται τόσο θερμές και αραιές ώστε τα σωματίδια σπάνια συναντιούνται. «Στην πράξη, δεν συγκρούονται μεταξύ τους», εξηγεί. Αντί γι’ αυτό, τα σωματίδια κινούνται κυρίως σπειροειδώς γύρω από τις γραμμές του μαγνητικού πεδίου. 

Για να μοντελοποιήσουν σωστά αυτή τη συμπεριφορά, οι ερευνητές πρέπει να παρακολουθούν τρισεκατομμύρια ηλεκτρόνια και ιόντα καθώς κινούνται ταχύτατα σε ελικοειδείς τροχιές γύρω από μια μαύρη τρύπα. Οι συμβατικές προσομοιώσεις πρέπει να υπολογίζουν κάθε μικροσκοπική στροφή, αναγκάζοντας τους υπολογιστές να προχωρούν με εξαιρετικά μικρά χρονικά βήματα.

Έτσι, ακόμη και οι ταχύτεροι υπερυπολογιστές στον κόσμο μπορεί να αφιερώνουν τον περισσότερο χρόνο τους στον υπολογισμό αυτών των απειροελάχιστων κινήσεων των σωματιδίων, αντί να προσομοιώνουν τη συμπεριφορά σε μεγαλύτερη κλίμακα που πραγματικά θέλουν να μελετήσουν οι επιστήμονες.

«Εδώ και δεκαετίες, αυτό περιορίζει το πόσο ρεαλιστικά μπορούμε να προσομοιώσουμε το πλάσμα γύρω από τις μαύρες τρύπες», λέει ο Chan.

Δημιουργώντας ένα καλύτερο ψηφιακό δίδυμο με την τεχνητή νοημοσύνη

Ο Chan υποψιαζόταν ότι νέες μαθηματικές τεχνικές θα μπορούσαν να βοηθήσουν στην παράκαμψη ορισμένων από αυτούς τους περιορισμούς. Η βασική ιδέα ήταν να αλλάξει, με μαθηματικό τρόπο, το πώς η προσομοίωση παρακολουθούσε την κίνηση των σωματιδίων, ώστε ο υπολογιστής να μη χρειάζεται πλέον να ακολουθεί άμεσα κάθε μικροσκοπική σπείρα.

«Όμως η διερεύνηση όλων των μαθηματικών δυνατοτήτων με το χέρι θα απαιτούσε τεράστιο χρόνο», λέει ο Chan. Έτσι, στράφηκε στο Codex για να τον βοηθήσει να διατυπώσει υποψήφιους αλγορίθμους και να τους ελέγξει συγκρίνοντάς τους με γνωστές λύσεις.

Το Codex πρότεινε πολλές πιθανές προσεγγίσεις — δεν ήταν όλες σωστές. «Αλλά αυτό δεν πειράζει», λέει ο Chan. «Οι περισσότερες επιστημονικές ιδέες αποτυγχάνουν. Αυτό που έχει σημασία είναι ότι αυτοί οι αλγόριθμοι μπορούν να ελεγχθούν. Μόλις βρεις έναν που λειτουργεί, μπορεί να ανοίξει τον δρόμο για προσομοιώσεις που προηγουμένως ήταν αδύνατες.» 

Ορισμένα συστήματα τεχνητής νοημοσύνης δίνουν αποτελέσματα χωρίς να δείχνουν τα βήματα με τα οποία κατέληξαν στα συμπεράσματά τους. Η ομάδα του Chan, όμως, χρησιμοποιεί το Codex για να προτείνει και να υλοποιεί αριθμητικά σχήματα που οι ερευνητές μπορούν να εξετάσουν, να ελέγξουν και να κατανοήσουν ως προς τη φυσική τους σημασία.

Τα μεγάλα γλωσσικά μοντέλα εξακολουθούν να κάνουν λάθη και πολλοί επιστήμονες παραμένουν επιφυλακτικοί απέναντι στη χρήση της τεχνητής νοημοσύνης στην έρευνα. Ο Chan, ωστόσο, πιστεύει ότι η επιστήμη ίσως είναι μία από τις καλύτερες εφαρμογές των σημερινών συστημάτων τεχνητής νοημοσύνης, ακριβώς επειδή οι επιστημονικές ιδέες μπορούν να υποβληθούν σε αυστηρό έλεγχο.

«Δεν αποδεχόμαστε μια ιδέα επειδή προήλθε από τον Αϊνστάιν, από έναν ευφυή φοιτητή ή από ένα μοντέλο τεχνητής νοημοσύνης», λέει. «Την αποδεχόμαστε μόνο μετά από επανειλημμένους ελέγχους.»

Ο Chan βλέπει την τεχνητή νοημοσύνη ως ένα εργαλείο που μπορεί να βοηθήσει τους ερευνητές να διερευνήσουν περισσότερες ιδέες, να τις ελέγξουν ταχύτερα και να επιταχύνουν τις ανακαλύψεις, με σταθερή βάση την επαλήθευση και την αναπαραγωγιμότητα.

Αν οι προσεγγίσεις που δοκιμάζει ο Chan με το Codex πετύχουν, οι νέοι αλγόριθμοι θα μπορούσαν μελλοντικά να επιτρέψουν στους επιστήμονες να προσομοιώσουν τρισεκατομμύρια σωματίδια γύρω από μαύρες τρύπες. Αυτό θα έδινε στους ερευνητές τη δυνατότητα να μελετήσουν φυσικά φαινόμενα που παρέμεναν απρόσιτα επί δεκαετίες.