Uusien mustien aukkojen simulaatioiden luominen Codexilla
Laskennallinen astrofyysikko tutkii tunnetun maailmankaikkeuden reunoja rakentaessaan ensimmäistä liikkuvaa kuvaa mustasta aukosta.
”Nämä työkalut muuttavat tapaa, jolla teemme tiedettä, hyvin perustavanlaatuisella tavalla.”
Maailmankaikkeuden reunan tutkiminen
Mustat aukot sijaitsevat maailmankaikkeutemme reunalla, ja tähtitieteilijöiden on vaikea tutkia niitä. Ne eivät säteile valoa, niitä ei voi kuvata suoraan, koska ne ovat niin kaukana — niiden näkemiseen tarvittaisiin maapallon kokoinen teleskooppi — eikä niitä hallitseva fysiikka aina vastaa nykyistä ymmärrystämme.
Mikään tästä ei ole uutta laskennalliselle astrofyysikolle Chi-kwan ”CK” Chanille. CK, Arizonan yliopiston professori, on tutkinut mustia aukkoja yli 20 vuoden ajan. Vuonna 2019 hän oli mukana Event Horizon Telescope -yhteistyössä, joka tuotti ensimmäisen kuvan mustasta aukosta. Tänä vuonna he tavoittelevat National Science Foundationin(avautuu uudessa ikkunassa) tuella vielä kunnianhimoisempaa päämäärää: ensimmäisen liikkuvan kuvan luomista mustasta aukosta.
CK kerää dataa Arizona Radio Observatoryn 12 metrin radioteleskoopilla Kitt Peak National Observatoryssa.
”Mustat aukot perustuivat alun perin teoriaan. Siksi on todella innostavaa, että pystymme havaitsemaan niitä.” —Chi-kwan ”CK” Chan
Sen ymmärtäminen, mitä puuttuu, edellyttää parempien mallien rakentamista: matemaattisia approksimaatioita, jotka kuvaavat, miten aine käyttäytyy ääriolosuhteissa. Nämä yhtälöt ovat kuitenkin uskomattoman monimutkaisia. Jopa suurimmilla supertietokoneilla on vaikeuksia ratkaista niitä, ja uusien lähestymistapojen kehittäminen voi viedä vuosia työtä. Siksi CK kääntyi Codexin puoleen nopeuttaakseen tätä prosessia.
”Minulta kuluisi kymmenen päivää kymmenen uuden approksimaation laatimiseen. Codexilla tämä onnistuu minuuteissa.”
CK kirjoittaa approksimaatiota opiskelijoidensa tarkasteltavaksi.
CK johtaa ryhmäkeskustelua opiskelijoilleen Arizonan yliopistossa.
CK:n käsin kirjoittama matemaattinen approksimaatio.
Uutta teknologiaa, uusia lähestymistapoja
Koska mustat aukot sijaitsevat niin kaukana maapallosta, ainoa tapa tutkia niitä on mitata niihin putoavaa plasmaa. CK luo plasmasta simulaatioita ja vertaa niitä sitten teleskoopeilla kerättyyn havaintodataan. ”Simulaatiot eivät kuitenkaan riitä”, CK sanoo. ”Kun vertaamme simulaatiota havaintoihin, huomaamme, että mustien aukkojen ympärillä oleva plasma on hyvin harvaa, joten emme voi oikeastaan approksimoida plasmaa nesteenä.” Ainoa tapa, jolla CK voi simuloida niitä oikein, on seurata yksittäisiä elektroneja ja ioneja. ”Ja se on laskennallisesti mahdoton ongelma.”
CK käyttää Codexia löytääkseen uusia numeerisia algoritmeja, joiden avulla hän voi luoda nopeampia ja vakaampia simulaatioita ottamalla käyttöön kirjoittamansa agentti-taidon. ”Codexin avulla pystymme nyt löytämään automaattisesti uusia koordinaattimuunnoksia ja algoritmeja, jotka voivat nopeuttaa näitä laskelmia 1000-kertaisesti. Sen ansiosta voimme tehdä simulaatioita, jotka eivät aiemmin olleet mahdollisia.”
CK:n on yhä toteutettava ja tarkistettava jokainen Codexin luoma approksimaatio, mutta tämä lähestymistapa on nopeuttanut hänen työnkulkuaan ja antaa hänelle mahdollisuuden käyttää enemmän aikaa tutkimukseen. (Syvenny tieteeseen mustien aukkojen ja CK:n työn taustalla.)
”Hyvin pitkään tähtitieteilijöiden ja tutkijoiden piti olla erinomaisia kehittäjiä voidakseen ratkaista ongelmamme. AI antaa meille mahdollisuuden keskittyä jälleen tieteellisiin kysymyksiin koodausosan sijaan.”
Kitt Peakin Arizona Radio Observatoryn 12 metrin radioteleskooppi on yksi Event Horizon Telescope -verkoston yhdestätoista observatoriosta.
Codex auttaa CK:ta tarkistamaan tieteellistä koodia ja löytämään virheitä tilastoissa ja numeerisissa menetelmissä, mikä auttaa häntä tuottamaan luotettavampia tuloksia.
CK Arizona Radio Observatoryn 12 metrin radioteleskoopin valvomossa.
Löytöjen tulevaisuus
CK ja Event Horizon Telescope -tiimi keräävät parhaillaan dataa mustista aukoista; he toivovat julkaisevansa ensimmäisen liikkuvan kuvan joskus vuonna 2027. CK on innoissaan siitä, mitä hän voi oppia. ”Jos onnistumme tallentamaan tämän ensimmäisen videon mustasta aukosta, se avaa uuden aikakauden tapahtumahorisontin mittakaavan aikariippuvaisessa mustien aukkojen astrofysiikassa”, hän sanoo. ”Sen avulla voimme tutkia, miten plasma käyttäytyy joissakin maailmankaikkeuden äärimmäisimmistä ympäristöistä.”
”Jos olet utelias ympäröivää maailmaa kohtaan, jatkat uusien vastausten etsimistä. Ja niin me opimme. Niin kehitämme teknologiaamme ja viemme sivilisaatiotamme eteenpäin.” —Chi-kwan ”CK” Chan
CK yhdessä Ramin, Nayeran ja Haydenin kanssa. He ovat kolme hänen opiskelijaansa Arizonan yliopistosta ja työskentelevät myös mustien aukkojen datan analysoinnin ja uusien simulaatioiden luomisen parissa.
”Olen lähtöisin tavallisesta perheestä Hongkongissa. Siksi tunnen olevani uskomattoman onnekas saadessani työskennellä mustien aukkojen tutkimuksen eturintamassa.” —Chi-kwan ”CK” Chan
”Ihmiset ovat tutkimusmatkailijoita. Ja tähtitiede on tutkimusmatkailumme perimmäinen rajaseutu. Tämä on siis yksi tapa, jolla ihmisen tieto voi ulottua maailmankaikkeuden reunalle.”