Créer de nouvelles simulations de trous noirs avec Codex
Un astrophysicien computationnel explore les confins de l’univers connu tandis qu’il travaille à construire la première image animée d’un trou noir.
« Ces outils changent 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, ne peuvent pas être capturés directement parce qu’ils sont si éloignés — il faudrait un télescope de la taille de la Terre pour en voir un — et la physique qui les régit ne correspond 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 a participé à la collaboration Event Horizon Telescope qui a produit la première image d’un trou noir. Cette année, avec le soutien de la Fondation nationale pour la science(ouverture dans une nouvelle fenêtre), ils poursuivent un objectif encore plus ambitieux : créer la première image animée d’un trou noir.
CK recueille des données du radiotélescope de 12 m de l’Arizona Radio Observatory à l’observatoire national de Kitt Peak.
« Les trous noirs reposaient à l’origine sur la théorie. C’est donc extrêmement enthousiasmant de pouvoir les observer. » —Chi-kwan « CK » Chan
Comprendre ce qui manque exige de construire 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 supercalculateurs peinent à les résoudre, et développer de nouvelles approches peut nécessiter des années de travail. CK s’est donc tourné vers Codex pour l’aider à accélérer ce processus.
« Il me faudrait dix jours pour trouver dix nouvelles approximations. Avec Codex, cela peut se faire en quelques minutes. »
CK écrit 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 se trouvent très loin de la Terre, la seule façon de les étudier est de mesurer le plasma qui y tombe. CK crée des simulations du plasma, puis les compare aux données d’observation recueillies par les télescopes. « Cependant, les simulations ne suffisent pas », explique CK. « Lorsque 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 approximer le plasma 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 impossible à traiter par le calcul. »
CK utilise Codex pour trouver de nouveaux algorithmes numériques qui peuvent l’aider à créer des simulations plus rapides et plus stables, en mettant en œuvre une compétence d’agent qu’il a écrite. « Avec Codex, nous pouvons désormais découvrir automatiquement de nouvelles transformations de coordonnées et de nouveaux algorithmes capables d’accélérer ces calculs d’un facteur 1000. Cela nous permet de réaliser 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 davantage de temps à la recherche. (Approfondir la science des 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 recentrer sur les questions scientifiques plutôt que sur la partie codage. »
Le radiotélescope de 12 m du Kitt Peak Arizona Radio Observatory est l’un des onze observatoires du réseau Event Horizon Telescope.
Codex aide CK à examiner le code scientifique et à repérer les erreurs de statistiques et de méthodes numériques, l’aidant ainsi à produire des résultats plus fiables.
CK dans la salle de contrôle du radiotélescope de 12 m de l’Arizona Radio Observatory.
L’avenir de la découverte
CK et l’équipe d’Event Horizon Telescope recueillent actuellement des données sur les trous noirs ; ils espèrent publier la première image animée courant 2027. CK est impatient de découvrir ce qu’il pourrait apprendre. « Si nous parvenons à capturer 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 vous êtes curieux du monde qui vous entoure, vous continuerez simplement à chercher de nouvelles réponses. Et c’est ainsi que nous apprenons. C’est ainsi que nous faisons progresser notre technologie, que nous faisons progresser 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 sur l’analyse des données de trous noirs et la création de nouvelles simulations.
« Je viens d’une famille modeste de Hong Kong. Je me sens donc incroyablement chanceux de pouvoir travailler à la pointe de la recherche sur les trous noirs. » —Chi-kwan « CK » Chan
« Les humains sont des explorateurs. Et l’astronomie est notre frontière ultime en matière d’exploration. C’est donc une façon pour la connaissance humaine d’atteindre les confins de l’univers. »