Kuidas astrofüüsik kasutab Codexit mustade aukude simuleerimiseks

Musta augu ümber on gravitatsioon nii tugev, et miski, isegi valgus, ei pääse enam välja, kui on sattunud piisavalt lähedale. Astrofüüsikud nagu Chi-kwan Chan uurivad musti auke arvutisimulatsioonide ja vaatluste abil. Praegused algoritmid ja arvutusvõimsus piiravad aga seda, kui tõetruud need simulatsioonid olla saavad.

Arizona ülikooli ja Stewardi observatooriumi teadur Chan otsib sellele probleemile lahendust Codexi abil.

Tema sõnul on mustad augud ühed parimad paigad Einsteini üldrelatiivsusteooria kontrollimiseks. See teooria on praegu meie parim gravitatsiooni seletus: gravitatsioon ei ole kehi üksteise poole tõmbav jõud, vaid tuleneb sellest, et mass ja energia kõverdavad aegruumi.

Chan osaleb rahvusvahelises koostööprojektis Event Horizon Telescope (EHT), mis avaldas 2019. aastal esimese pildi mustast august. Praegu kogub meeskond vaatlusandmeid, et luua esimene video ülimassiivsest mustast august, keskendudes galaktika M87 keskmes asuvale mustale augule. 

Vaatluste põhjal teaduslike järeldusteni jõudmine nõuab aga tohutute andmehulkade töötlemist, suuremahulisi arvutusprotsesse ja simulatsioone, mis suudavad modelleerida universumi kõige äärmuslikumaid füüsikalisi nähtusi.

Kuna valgus ei pääse mustast august välja, uurivad teadlased selle asemel seda ümbritsevat sündmuste horisonti – piiri, mille tagant aine enam välja ei pääse. „See on pind, mille ületamisel pole enam tagasiteed,“ ütles Chan. Vahetult väljaspool seda piiri keerlev aine kiirgab valgust, mida astrofüüsikud saavad näha, mõõta ja simuleerida. 

EHT 2019. aastal avaldatud pilt näitas musta augu varju sündmuste horisondi lähedal hõõguva plasma sees. Chan aitas välja töötada simulatsiooni- ja arvutustööriistu, mida meeskond kasutas vaatluste tõlgendamiseks. Sellest ajast alates on Chan ja tema kolleegid jätkanud oma instrumentide ja vaatlusvõimaluste täiustamist, et liikuda piltidelt videote poole.

Lahenduse otsimine spiraalse liikumise probleemile

Üks Chani ja tema meeskonna suurimaid takistusi on musti auke ümbritseva plasma modelleerimine. Plasma on ülikuum aine, mis koosneb elektrilaenguga elektronidest ja ioonidest.

Paljudes simulatsioonides käsitlevad teadlased plasmat lihtsustatult voolisena, kasutades selle liikumise modelleerimiseks musta augu ümber tuntud võrrandeid. See toimib üsna hästi tihedamas plasmas, kus elektronid ja ioonid pidevalt üksteisega põrkuvad. 

Kuid Chani ja tema kolleegide uuritavate ülimassiivsete mustade aukude lähedal muutub plasma mõnes piirkonnas nii kuumaks ja hõredaks, et osakesed puutuvad üksteisega harva kokku. „Nad praktiliselt ei põrku üksteisega,“ ütles ta. Selle asemel liiguvad osakesed peamiselt spiraalselt ümber magnetvälja jõujoonte. 

Selle käitumise korrektseks modelleerimiseks peavad teadlased jälgima triljoneid elektrone ja ioone, mis liiguvad kiiresti mööda spiraalseid trajektoore musta augu ümber. Tavapärastes simulatsioonides tuleb arvutada iga pisimatki pööret, mis sunnib arvuteid kasutama äärmiselt väikesi ajasamme.

Seetõttu võivad isegi maailma kiireimad superarvutid kulutada suurema osa ajast nende imepisikeste osakeste liikumiste arvutamisele, selle asemel et simuleerida suuremas mastaabis käitumist, mida teadlased tegelikult uurida tahavad.

„See on aastakümneid piiranud seda, kui tõetruult suudame musta augu plasmat simuleerida,“ ütles Chan.

Parema digikaksiku loomine tehisaru abil

Chan arvas, et uued matemaatilised meetodid võiksid aidata mõnest neist piirangutest mööda pääseda. Põhiidee oli muuta matemaatiliselt seda, kuidas simulatsioon osakeste liikumist jälgib, nii et arvuti ei peaks enam iga pisikest spiraali otseselt jälgima.

„Aga kõigi matemaatiliste võimaluste käsitsi läbiproovimine oleks võtnud tohutult aega,“ ütles Chan. Nii pöördus ta Codexi poole, et tuletada võimalikke algoritme ja katsetada neid tuntud lahenduste põhjal.

Codex pakkus välja palju võimalikke lähenemisviise, kuid kõik neist polnud õiged. „Aga sellest pole midagi,“ ütles Chan. „Enamik teaduslikke ideid ei kanna vilja. Oluline on see, et neid algoritme saab katsetada. Kui leiad toimiva algoritmi, võib see teha võimalikuks simulatsioonid, mis varem olid võimatud.“ 

Mõned tehisarusüsteemid võivad anda tulemusi, näitamata, milliste sammude kaudu nad oma järeldusteni jõudsid. Chani töörühm kasutab aga Codexit arvutusskeemide väljapakkumiseks ja rakendamiseks, et neid saaks läbi vaadata, katsetada ja füüsikaliselt mõista.

Suured keelemudelid teevad endiselt vigu ja paljud teadlased suhtuvad tehisaru kasutamisse teadustöös ettevaatlikult. Chan usub aga, et teadus võib olla tänapäeva tehisarusüsteemide üks parimaid rakendusvaldkondi just seetõttu, et teaduslikke ideid saab põhjalikult kontrollida.

„Me ei tunnista ideed õigeks lihtsalt sellepärast, et see pärineb Einsteinilt, nutikalt tudengilt või tehisarumudelilt,“ ütles ta. „Me tunnistame selle õigeks alles pärast korduvat kontrollimist.“

Chan näeb tehisarus tööriista, mis aitab teadlastel uurida rohkem ideid, neid kiiremini katsetada ja jõuda kiiremini avastusteni, loobumata seejuures tulemuste kontrollimisest ja korratavusest.

Kui lähenemisviisid, mida Chan Codexi abil katsetab, osutuvad edukaks, võivad uued algoritmid lõpuks võimaldada teadlastel simuleerida triljoneid osakesi mustade aukude ümber. See võimaldaks teadlastel uurida füüsikalisi nähtusi, mis on aastakümneid jäänud nende uurimisvõimalustest välja.