Paano ginagamit ng isang astrophysicist ang Codex sa simulasyon ng mga black hole

Napakatindi ng grabidad sa paligid ng black hole kaya walang makakatakas, kahit liwanag, kapag napalapit nang sapat dito. Pinag-aaralan ng mga astrophysicist tulad ni Chi-kwan Chan ang mga black hole gamit ang mga simulasyon sa computer at obserbasyon. Pero nalilimitahan ng kasalukuyang mga algorithm at kakayahan ng mga computer kung gaano kalapit sa realidad ang mga simulasyong ito.

Sa tulong ng Codex, tinutugunan ni Chan—isang mananaliksik sa University of Arizona at Steward Observatory—ang problemang ito.

Ayon sa kanya, kabilang ang mga black hole sa pinakamainam na lugar para subukin ang pangkalahatang teorya ng relatibidad ni Einstein. Ang teoryang ito ang pinakamahusay nating paliwanag sa grabidad sa kasalukuyan: sa halip na puwersang humihila sa mga bagay palapit sa isa’t isa, ang grabidad ay resulta ng pagbaluktot ng espasyo at panahon dahil sa masa at enerhiya.

Bahagi si Chan ng pandaigdigang pangkat ng Event Horizon Telescope (EHT), na naglabas ng unang larawan ng black hole noong 2019. Kasalukuyang nangangalap ang pangkat ng mga obserbasyon para makagawa ng unang video ng isang supermassive black hole, na nakatuon sa nasa gitna ng galaksiyang M87. 

Pero para magkaroon ng siyentipikong pag-unawa mula sa mga obserbasyon, kailangang magproseso ng napakaraming datos, gumamit ng malawakang mga workflow sa komputasyon, at gumawa ng mga simulasyong kayang kumatawan sa ilan sa pinakamatitinding pisikal na penomeno sa uniberso.

Dahil hindi makakatakas ang liwanag mula sa black hole, pinag-aaralan na lang ng mga siyentipiko ang rehiyon sa paligid nito na tinatawag na event horizon, isang hangganan na kapag nalampasan ng materya ay hindi na ito makakatakas. “Isa itong hangganan na kapag natawid mo na, wala nang balikan,” sabi ni Chan. Naglalabas ng liwanag ang materyang umiikot sa labas mismo ng hangganang ito, at kayang makita, sukatin, at gayahin sa simulasyon ng mga astrophysicist ang liwanag na iyon. 

Ipinakita ng larawang inilabas ng EHT noong 2019 ang anino ng isang black hole na napapalibutan ng nagliliwanag na plasma malapit sa event horizon. Tumulong si Chan sa pagbuo ng mga tool sa simulasyon at komputasyon na ginamit ng pangkat para bigyang-kahulugan ang mga obserbasyon. Mula noon, patuloy na pinapahusay ni Chan at ng kanyang mga kasamahan ang kanilang mga instrumento at kakayahan sa pagmamasid habang lumilipat ang pangkat mula sa mga larawan tungo sa mga video.

Pagtugon sa problema ng paikot na paggalaw

Isa sa pinakamalaking hamon para kay Chan at sa kanyang pangkat ang pagbuo ng modelo ng plasma sa paligid ng mga black hole. Ang plasma ay napakainit na materyang binubuo ng mga electron at ion na may kargang elektrikal.

Sa maraming simulasyon, pinapasimple ng mga siyentipiko ang pagmomodelo ng plasma sa pamamagitan ng pagtrato rito bilang fluid, gamit ang mga kilalang equation para ilarawan ang galaw nito sa paligid ng black hole. Medyo mahusay itong gumagana sa mas siksik na plasma kung saan patuloy na nagbabanggaan ang mga electron at ion. 

Pero malapit sa mga supermassive black hole na pinag-aaralan ni Chan at ng kanyang mga kasamahan, nagiging napakainit at napakalabnaw ng plasma sa ilang rehiyon kaya bihirang magtagpo ang mga partikulo. “Hindi talaga sila nagbabanggaan,” sabi niya. Sa halip, karaniwang umiinog ang mga partikulo sa paligid ng mga linya ng magnetic field. 

Para tumpak na mailarawan ang galaw na iyon, kailangang subaybayan ng mga mananaliksik ang trilyon-trilyong electron at ion habang mabilis silang umiinog sa paligid ng black hole. Sa mga karaniwang simulasyon, kailangang kalkulahin ang bawat napakaliit na pagliko, kaya napakaikli ng pagitan ng oras na dapat gamitin ng mga computer sa bawat hakbang.

Dahil dito, kahit ang pinakamabibilis na supercomputer sa mundo ay maaaring gumugol ng halos lahat ng oras nila sa pagkalkula ng maliliit na galaw na ito ng mga partikulo sa halip na sa simulasyon ng mas malawak na galaw na talagang gustong pag-aralan ng mga siyentipiko.

“Sa loob ng ilang dekada, nilimitahan nito kung gaano kalapit sa realidad ang magagawa nating simulasyon ng plasma sa paligid ng black hole,” sabi ni Chan.

Paggamit ng AI para makabuo ng mas mahusay na digital twin

Naisip ni Chan na maaaring makatulong ang mga bagong teknik sa matematika para malampasan ang ilan sa mga limitasyong ito. Ang pangunahing ideya ay baguhin, sa pamamagitan ng matematika, kung paano sinusubaybayan ng simulasyon ang galaw ng mga partikulo para hindi na kailangang direktang sundan ng computer ang bawat napakaliit na pag-inog.

“Pero napakatagal ang aabutin kung mano-manong susuriin ang lahat ng posibilidad sa matematika,” sabi ni Chan. Kaya humingi siya ng tulong sa Codex para bumuo ng mga posibleng algorithm at subukin ang mga ito laban sa mga kilalang solusyon.

Bumuo ang Codex ng maraming posibleng pamamaraan—pero hindi lahat ay tama. “Pero ayos lang iyon,” sabi ni Chan. “Karamihan sa mga ideya sa agham ay hindi nagtatagumpay. Ang mahalaga ay puwedeng subukin ang mga algorithm na ito. Kapag nakahanap ka ng gumagana, maaari nitong gawing posible ang mga simulasyong hindi magawa noon.” 

May mga AI system na nakapagbibigay ng resulta nang hindi ipinapakita ang mga hakbang na ginamit nila para makarating sa kanilang mga konklusyon. Pero ginagamit ng pangkat ni Chan ang Codex para magmungkahi at magpatupad ng mga numerikal na pamamaraan na maaari nilang siyasatin, subukin, at unawain batay sa pisika.

Nagkakamali pa rin ang malalaking modelo ng wika, at marami pa ring siyentipiko ang maingat sa paggamit ng AI sa pananaliksik. Pero naniniwala si Chan na maaaring isa ang agham sa pinakamainam na paggagamitan ng mga AI system ngayon, dahil mismong ang mga ideya sa agham ay maaaring subukin nang mahigpit.

“Hindi namin tinatanggap ang isang ideya dahil nagmula ito kay Einstein, sa isang matalinong estudyante, o sa isang modelo ng AI,” sabi niya. “Tinatanggap lang namin ito matapos ang paulit-ulit na pagsusubok.”

Para kay Chan, ang AI ay isang tool na makakatulong sa mga mananaliksik na tuklasin ang mas maraming ideya, subukin ang mga ito nang mas mabilis, at pabilisin ang pagtuklas, habang nananatiling nakabatay sa beripikasyon at sa kakayahang ulitin ang mga resulta.

Kung magtatagumpay ang mga pamamaraang sinusubok ni Chan gamit ang Codex, maaaring magawa ng mga siyentipiko sa hinaharap ang simulasyon ng trilyon-trilyong partikulo sa paligid ng mga black hole gamit ang mga bagong algorithm. Sa gayon, mapag-aaralan ng mga mananaliksik ang mga pisikal na penomenong ilang dekada nang hindi kayang pag-aralan.