ساخت شبیهسازیهای جدید سیاهچالهها با Codex
یک پژوهشگر اخترفیزیک که از محاسبات رایانهای و مدلسازی استفاده میکند، همزمان با تلاش برای ساخت نخستین تصویر متحرک از یک سیاهچاله، مرزهای جهانِ شناختهشده را میکاود.
«این ابزارها شیوهٔ انجام علم را به شکلی بسیار بنیادی تغییر میدهند.»
مطالعهٔ کرانههای کیهان
سیاهچالهها در کرانههای کیهان جای دارند و از دشوارترین اجرام آسمانی برای مطالعهٔ اخترشناسان به شمار میروند. آنها نوری از خود گسیل نمیکنند و بهدلیل فاصلهٔ بسیار زیاد، نمیتوان آنها را بهطور مستقیم به تصویر کشید؛ برای دیدن یکی از آنها، به تلسکوپی به اندازهٔ زمین نیاز است. افزون بر این، قوانین فیزیکی مربوط به سیاهچالهها همیشه با دانستههای کنونی ما همخوانی ندارد.
هیچیک از این دشواریها برای چیکوان «CK» چان، پژوهشگری که با شبیهسازیهای رایانهای پدیدههای کیهانی را مطالعه میکند، تازگی ندارد. CK استاد دانشگاه آریزونا است و بیش از دو دهه است که روی سیاهچالهها پژوهش میکند. او در سال ۲۰۱۹ در همکاری علمی Event Horizon Telescope مشارکت داشت؛ همکاریای که نخستین تصویر از یک سیاهچاله را ثبت کرد. امسال، او و همکارانش با پشتیبانی بنیاد ملی علوم(در یک پنجره جدید باز میشود) آمریکا هدفی حتی بلندپروازانهتر را دنبال میکنند: تهیهٔ نخستین تصویر متحرک از یک سیاهچاله.
CK دادهها را از تلسکوپ رادیویی ۱۲ متری رصدخانهٔ رادیویی آریزونا در رصدخانهٔ ملی کیت پیک گردآوری میکند.
«سیاهچالهها در ابتدا بیشتر پدیدههایی نظری بودند. برای همین، اینکه امروز میتوانیم آنها را رصد کنیم، فوقالعاده هیجانانگیز است.» —چیکوان «CK» چان
برای فهمیدن اینکه مدلهای کنونی چه چیزی را کم دارند، باید مدلهای بهتری ساخت؛ یعنی تقریبهای ریاضیای که توضیح میدهند ماده در شرایط بسیار شدید چگونه رفتار میکند. اما این معادلات بهشدت پیچیدهاند. حتی بزرگترین ابررایانهها هم برای حل آنها با دشواری روبهرو میشوند، و توسعهٔ روشهای تازه ممکن است سالها زمان ببرد. به همین دلیل، CK برای سرعتبخشیدن به این فرایند به Codex روی آورد.
«برای ارائهٔ ده تقریب جدید، ده روز زمان لازم داشتم. با Codex، این کار در چند دقیقه انجام میشود.»
CK در حال نوشتن یک تقریب تا دانشجویانش آن را بررسی کنند.
CK یک گفتوگوی گروهی را برای دانشجویانش در دانشگاه آریزونا هدایت میکند.
یک تقریب ریاضی دستنویس از CK.
فناوری جدید، رویکردهای جدید
سیاهچالهها آنقدر از زمین دورند که تنها راه مطالعهٔ آنها، بررسی پلاسمایی است که به درونشان سقوط میکند. CK این پلاسما را شبیهسازی میکند و سپس نتیجهٔ شبیهسازی را با دادههایی که تلسکوپها ثبت کردهاند مقایسه میکند. او میگوید: «با این حال، شبیهسازیها بهتنهایی کافی نیستند. وقتی نتیجهٔ شبیهسازی را با دادههای رصدی مقایسه میکنیم، متوجه میشویم که پلاسمای اطراف سیاهچالهها چگالی بسیار کمی دارد؛ بنابراین نمیتوانیم آن را مانند یک سیال معمولی مدل کنیم.» برای شبیهسازی دقیق این پلاسما، CK باید حرکت تکتک الکترونها و یونها را دنبال کند. «و این، از نظر محاسباتی، مسئلهای است که عملاً نمیتوان آن را حل کرد.»
CK با پیادهسازی یک مهارت عامل که خودش نوشته، از Codex برای یافتن الگوریتمهای عددی جدید استفاده میکند تا شبیهسازیهای سریعتر و پایدارتر بسازد. «با Codex اکنون میتوانیم تبدیلهای مختصاتی و الگوریتمهای جدیدی را بهطور خودکار کشف کنیم که این محاسبات را ۱۰۰۰ برابر سریعتر میکنند. این به ما امکان میدهد شبیهسازیهایی انجام دهیم که پیشتر ممکن نبود.»
CK هنوز باید هر تقریبی را که Codex میسازد پیادهسازی و راستیآزمایی کند، اما این رویکرد روند کار او را شتاب داده و به او اجازه میدهد زمان بیشتری را بر پژوهش متمرکز کند. (دربارهٔ علم پشت سیاهچالهها و کار CK عمیقتر بخوانید.)
«برای مدت بسیار طولانی، اخترشناسان و دانشمندان برای حل مسائل علمی خود باید در برنامهنویسی بسیار توانمند میبودند. AI به ما امکان میدهد بهجای درگیر شدن با بخش کدنویسی، دوباره روی پرسشهای علمی تمرکز کنیم.»
تلسکوپ رادیویی ۱۲ متری رصدخانهٔ رادیویی آریزونا در کیت پیک یکی از یازده رصدخانهٔ شبکهٔ تلسکوپ افق رویداد است.
Codex به CK کمک میکند کد علمی را بازبینی کند و خطاهای مربوط به آمار و روشهای عددی را بیابد، و به او کمک میکند نتایج قابلاعتمادتری تولید کند.
CK در اتاق کنترل تلسکوپ رادیویی ۱۲ متری رصدخانهٔ رادیویی آریزونا.
آیندهٔ اکتشافات علمی
CK و تیم Event Horizon Telescope اکنون در حال گردآوری دادههایی از سیاهچالهها هستند و امیدوارند در سال ۲۰۲۷ نخستین تصویر متحرک از یک سیاهچاله را منتشر کنند. CK مشتاق است بداند این دستاورد چه چیزهای تازهای آشکار خواهد کرد. او میگوید: «اگر بتوانیم نخستین ویدئوی یک سیاهچاله را با موفقیت ثبت کنیم، عصر تازهای در اخترفیزیک سیاهچالهها آغاز میشود؛ عصری که به ما امکان میدهد این پدیدهها را در مقیاس افق رویداد و در گذر زمان مطالعه کنیم.» او میافزاید: «این دستاورد به ما کمک میکند رفتار پلاسما را در برخی از شدیدترین محیطهای کیهان بررسی کنیم.»
«اگر دربارهٔ جهان اطرافتان کنجکاو باشید، پیوسته به دنبال پاسخهای تازه خواهید گشت. و اینگونه یاد میگیریم. اینگونه فناوریمان را پیش میبریم و تمدنمان را پیشرفتهتر میکنیم.» —چیکوان «CK» چان
CK همراه با رام، نایرا و هیدن، سه نفر از دانشجویانش در دانشگاه آریزونا که روی تحلیل دادههای سیاهچاله و ساخت شبیهسازیهای جدید نیز کار میکنند.
«من در هنگکنگ و در خانوادهای معمولی بزرگ شدهام. به همین دلیل، واقعاً خودم را بسیار خوششانس میدانم که میتوانم در پیشرفتهترین حوزههای پژوهش دربارهٔ سیاهچالهها کار کنم.» —چیکوان «CK» چان
«انسانها ذاتاً کاوشگرند. اخترشناسی بلندترین افق کاوش ماست؛ راهی برای آنکه دانش بشر تا کرانههای کیهان پیش برود.»