Créer de nouvelles simulations de trous noirs avec Codex
Un astrophysicien computationnel explore les confins de l’univers connu en travaillant à créer la première image animée d’un trou noir.
« Ces outils transforment notre façon de faire de la science de manière très fondamentale. »
Étudier les confins de l’univers
Les trous noirs existent aux confins de notre univers et sont des objets célestes difficiles à étudier pour les astronomes. Ils n’émettent pas de lumière, on ne peut pas les capter directement parce qu’ils sont si loin — il faudrait un télescope de la taille de la Terre pour en voir un — et les lois physiques qui les régissent ne correspondent pas toujours à notre compréhension actuelle.
Rien de tout cela n’est nouveau pour l’astrophysicien computationnel Chi-kwan « CK » Chan. CK, professeur à l’Université de l’Arizona, étudie les trous noirs depuis plus de 20 ans. En 2019, il faisait partie de la collaboration Event Horizon Telescope qui a produit la première image d’un trou noir. Cette année, avec le soutien de la Fondation nationale des sciences(s'ouvre dans une nouvelle fenêtre), ils poursuivent un objectif encore plus ambitieux : créer la première image animée d’un trou noir.
CK recueille des données au radiotélescope de 12 m de l’Observatoire radio de l’Arizona, à l’Observatoire national de Kitt Peak.
« Les trous noirs étaient au départ fondés sur la théorie. C’est donc extrêmement excitant de pouvoir les observer. » —Chi-kwan « CK » Chan
Comprendre ce qui manque exige de bâtir de meilleurs modèles : des approximations mathématiques qui décrivent le comportement de la matière dans des conditions extrêmes. Mais ces équations sont incroyablement complexes. Même les plus grands superordinateurs peinent à les résoudre, et la mise au point de nouvelles approches peut nécessiter des années de travail. CK s’est donc tourné vers Codex pour accélérer ce processus.
« Il me faudrait dix jours pour trouver dix nouvelles approximations. Avec Codex, cela peut se faire en quelques minutes. »
CK rédige une approximation pour que ses étudiants l’examinent.
CK anime une discussion de groupe pour ses étudiants à l’Université de l’Arizona.
Une approximation mathématique manuscrite de CK.
Nouvelles technologies, nouvelles approches
Comme les trous noirs sont si loin de la Terre, la seule façon de les étudier consiste à mesurer le plasma qui y tombe. CK crée des simulations du plasma, puis les compare aux données d’observation recueillies par les télescopes. « Toutefois, les simulations ont leurs limites », dit CK. « Quand nous comparons la simulation à l’observation, nous constatons que le plasma autour des trous noirs est de très faible densité; nous ne pouvons donc pas vraiment l’approximer comme un fluide. » La seule façon pour CK de les simuler correctement est de suivre les électrons et les ions individuellement. « Et c’est tout simplement un problème insoluble sur le plan computationnel. »
CK utilise Codex pour trouver de nouveaux algorithmes numériques qui peuvent l’aider à créer des simulations plus rapides et plus stables grâce à une compétence d’agent qu’il a écrite. « Avec Codex, nous pouvons maintenant découvrir automatiquement de nouvelles transformations de coordonnées et de nouveaux algorithmes qui peuvent accélérer ces calculs par un facteur de 1000. Cela nous permet de faire des simulations qui étaient auparavant impossibles. »
CK doit toujours mettre en œuvre et vérifier chaque approximation créée par Codex, mais cette approche a accéléré son flux de travail et lui permet de consacrer plus de temps à la recherche. (Approfondissez la science derrière les trous noirs et le travail de CK.)
« Pendant très longtemps, les astronomes et les scientifiques devaient être d’excellents développeurs pour résoudre nos problèmes. L’IA nous permet de nous concentrer de nouveau sur les questions scientifiques plutôt que sur la partie codage. »
Le radiotélescope de 12 m de l’Observatoire radio de l’Arizona à Kitt Peak est l’un des onze observatoires du réseau Event Horizon Telescope.
Codex aide CK à réviser le code scientifique et à repérer les erreurs liées aux statistiques et aux méthodes numériques, ce qui l’aide à produire des résultats plus fiables.
CK dans la salle de contrôle du radiotélescope de 12 m de l’Observatoire radio de l’Arizona.
L’avenir de la découverte
CK et l’équipe de l’Event Horizon Telescope recueillent actuellement des données sur les trous noirs; ils espèrent publier la première image animée quelque part en 2027. CK est enthousiaste à l’idée de ce qu’il pourrait apprendre. « Si nous réussissons à capter cette première vidéo d’un trou noir, cela ouvrira une nouvelle ère de l’astrophysique des trous noirs à l’échelle de l’horizon et dans le domaine temporel », dit-il. « Cela nous permettra d’étudier le comportement du plasma dans certains des environnements les plus extrêmes de l’univers. »
« Si le monde qui vous entoure vous intrigue, vous continuerez simplement à chercher de nouvelles réponses. Et c’est ainsi que nous apprenons. C’est ainsi que nous faisons progresser notre technologie et notre civilisation. » —Chi-kwan « CK » Chan
CK avec Ram, Nayera et Hayden, trois de ses étudiants de l’Université de l’Arizona qui travaillent aussi à l’analyse des données sur les trous noirs et à la création de nouvelles simulations.
« Je viens d’une famille modeste de Hong Kong. Je me sens donc incroyablement chanceux de pouvoir travailler à l’avant-garde de la recherche sur les trous noirs. » —Chi-kwan « CK » Chan
« Les humains sont des explorateurs. Et l’astronomie est notre ultime frontière d’exploration. C’est donc une façon pour le savoir humain d’atteindre les confins de l’univers. »