ખગોળભૌતિકશાસ્ત્રી કૃષ્ણવિવરના સિમ્યુલેશન માટે Codexની મદદ કેવી રીતે લે છે

કૃષ્ણવિવરની આસપાસનું ગુરુત્વાકર્ષણ એટલું પ્રબળ હોય છે કે તેની પૂરતી નજીક પહોંચ્યા પછી કશું જ, પ્રકાશ પણ, બહાર નીકળી શકતું નથી. ચી-ક્વાન ચાન જેવા ખગોળભૌતિકશાસ્ત્રીઓ કમ્પ્યુટર સિમ્યુલેશન અને અવલોકનો દ્વારા કૃષ્ણવિવરોનો અભ્યાસ કરે છે. પરંતુ હાલના અલ્ગોરિધમ અને ગણનાક્ષમતાને કારણે આ સિમ્યુલેશન વાસ્તવિકતાને કેટલી હદે મળતાં આવે તેની મર્યાદા છે.

એરિઝોના યુનિવર્સિટી અને સ્ટુઅર્ડ વેધશાળાના સંશોધક ચાન, Codex વડે આ સમસ્યાનો ઉકેલ શોધી રહ્યા છે.

તેમના કહેવા મુજબ, આઇન્સ્ટાઇનના સામાન્ય સાપેક્ષતાના સિદ્ધાંતને ચકાસવા માટે કૃષ્ણવિવરો શ્રેષ્ઠ સ્થળોમાંનાં એક છે. હાલમાં આ સિદ્ધાંત ગુરુત્વાકર્ષણની સૌથી સારી સમજૂતી આપે છે: ગુરુત્વાકર્ષણ એ પદાર્થોને એકબીજા તરફ ખેંચતું બળ નથી, પરંતુ દ્રવ્યમાન અને ઊર્જાને કારણે અવકાશ અને સમયની સંરચનામાં આવતા વળાંકનું પરિણામ છે.

ચાન આંતરરાષ્ટ્રીય ઇવેન્ટ હોરાઇઝન ટેલિસ્કોપ (ઈએચટી) સહયોગનો ભાગ છે, જેણે 2019માં કૃષ્ણવિવરની પ્રથમ છબી પ્રકાશિત કરી હતી. અતિદળદાર કૃષ્ણવિવરનો પ્રથમ વિડિયો બનાવવા માટે ટીમ હાલમાં અવલોકનો એકત્ર કરી રહી છે. તેનું ધ્યાન M87 તારાવિશ્વના કેન્દ્રમાં આવેલા કૃષ્ણવિવર પર છે. 

પરંતુ અવલોકનોમાંથી વૈજ્ઞાનિક સમજ મેળવવા માટે પુષ્કળ માહિતી પર પ્રક્રિયા કરવી પડે છે, મોટા પાયે ગણનાત્મક કાર્યપ્રવાહો ચલાવવા પડે છે અને બ્રહ્માંડની અત્યંત વિષમ ભૌતિક પરિસ્થિતિઓનું નિરૂપણ કરી શકે તેવાં સિમ્યુલેશન જોઈએ છે.

પ્રકાશ કૃષ્ણવિવરમાંથી બહાર નીકળી શકતો ન હોવાથી વૈજ્ઞાનિકો તેની આસપાસના ઘટના ક્ષિતિજ તરીકે ઓળખાતા વિસ્તારનો અભ્યાસ કરે છે. આ એવી સીમા છે જેને પાર કર્યા પછી પદાર્થ બહાર નીકળી શકતો નથી. ચાને કહ્યું, “આ એવી સપાટી છે જેને પાર કર્યા પછી પાછા ફરી શકાતું નથી.” આ સીમાની બરાબર બહાર ઘૂમતો પદાર્થ પ્રકાશ ઉત્સર્જિત કરે છે, જેને ખગોળભૌતિકશાસ્ત્રીઓ જોઈ શકે છે, માપી શકે છે અને તેનું સિમ્યુલેશન કરી શકે છે. 

ઈએચટીએ 2019માં પ્રકાશિત કરેલી છબીમાં ઘટના ક્ષિતિજ નજીકના તેજસ્વી પ્લાઝ્માની વચ્ચે કૃષ્ણવિવરનો પડછાયો દેખાતો હતો. અવલોકનોનું અર્થઘટન કરવા માટે ટીમે વાપરેલાં સિમ્યુલેશન અને ગણનાત્મક સાધનો વિકસાવવામાં ચાને મદદ કરી હતી. ત્યારથી ટીમ સ્થિર છબીઓથી વિડિયો તરફ આગળ વધી રહી છે, અને ચાન તથા તેમના સહકર્મીઓ પોતાનાં ઉપકરણો અને અવલોકનક્ષમતામાં સતત સુધારો કરી રહ્યા છે.

સર્પાકાર ગતિની સમસ્યાનો ઉકેલ શોધવો

કૃષ્ણવિવરોની આસપાસના પ્લાઝ્માનું ગાણિતિક નિરૂપણ કરવું એ ચાન અને તેમની ટીમ સામેના સૌથી મોટા અવરોધોમાંનો એક છે. પ્લાઝ્મા એ વિદ્યુતભાર ધરાવતા ઇલેક્ટ્રોન અને આયનોથી બનેલો અતિશય ગરમ પદાર્થ છે.

ઘણાં સિમ્યુલેશનમાં વૈજ્ઞાનિકો સરળતા માટે પ્લાઝ્માને પ્રવાહી તરીકે ગણે છે અને જાણીતાં સમીકરણો વડે કૃષ્ણવિવરની આસપાસની તેની ગતિનું નિરૂપણ કરે છે. વધુ ઘનતા ધરાવતા પ્લાઝ્મામાં આ પદ્ધતિ ઠીકઠીક સારી રીતે કામ કરે છે, કારણ કે તેમાં ઇલેક્ટ્રોન અને આયનો સતત એકબીજા સાથે અથડાય છે. 

પરંતુ ચાન અને તેમના સહકર્મીઓ જે અતિદળદાર કૃષ્ણવિવરોનો અભ્યાસ કરી રહ્યા છે, તેમની નજીકના કેટલાક વિસ્તારો એટલા ગરમ અને ઓછી ઘનતાવાળા થઈ જાય છે કે કણો ભાગ્યે જ એકબીજાને મળે છે. તેમણે કહ્યું, “તેઓ ખરેખર એકબીજા સાથે અથડાતા જ નથી.” તેના બદલે, કણો મોટેભાગે ચુંબકીય ક્ષેત્રરેખાઓની આસપાસ સર્પાકાર ગતિ કરે છે. 

આ વર્તનનું યોગ્ય નિરૂપણ કરવા માટે સંશોધકોએ કૃષ્ણવિવરની આસપાસ ઝડપથી સર્પાકાર ગતિ કરતા લાખો કરોડ ઇલેક્ટ્રોન અને આયનોની ગતિને અનુસરવી પડે છે. પ્રચલિત સિમ્યુલેશનમાં દરેક નાનકડા વળાંકની ગણતરી કરવી પડે છે, જેના કારણે કમ્પ્યુટરોએ અત્યંત નાના સમયગાળે ગણતરીઓ કરવી પડે છે.

પરિણામે, વિશ્વનાં સૌથી ઝડપી સુપરકમ્પ્યુટરોનો પણ મોટાભાગનો સમય કણોની આ સૂક્ષ્મ ગતિની ગણતરીમાં જ વીતે છે, જ્યારે વૈજ્ઞાનિકો ખરેખર જેનો અભ્યાસ કરવા માગે છે તે વ્યાપક વર્તનનું સિમ્યુલેશન પાછળ રહી જાય છે.

ચાને કહ્યું, “આ કારણે દાયકાઓથી કૃષ્ણવિવરના પ્લાઝ્માનું વાસ્તવિકતાને મળતું સિમ્યુલેશન કરવાની અમારી ક્ષમતા મર્યાદિત રહી છે.”

કૃત્રિમ બુદ્ધિ વડે વધુ સારી ડિજિટલ પ્રતિકૃતિ બનાવવી

ચાનને લાગતું હતું કે નવી ગાણિતિક પદ્ધતિઓ આમાંની કેટલીક મર્યાદાઓને પાર કરવામાં મદદરૂપ થઈ શકે છે. મૂળ વિચાર સિમ્યુલેશનમાં કણોની ગતિને અનુસરવાની રીતમાં ગાણિતિક ફેરફાર કરવાનો હતો, જેથી કમ્પ્યુટરે દરેક નાનકડા સર્પાકાર ફેરાને સીધો અનુસરવો ન પડે.

ચાને કહ્યું, “પરંતુ બધી ગાણિતિક સંભાવનાઓની તપાસ જાતે કરવામાં ખૂબ જ સમય લાગ્યો હોત.” તેથી તેમણે સંભવિત અલ્ગોરિધમ તારવવા અને જાણીતા ઉકેલો સામે તેમની ચકાસણી કરવા માટે Codexની મદદ લીધી.

Codexએ અનેક સંભવિત અભિગમો સૂચવ્યા, જોકે તે બધા સાચા નહોતા. ચાને કહ્યું, “પણ એમાં વાંધો નથી.” “મોટાભાગના વૈજ્ઞાનિક વિચારો નિષ્ફળ જાય છે. મહત્ત્વનું એ છે કે આ અલ્ગોરિધમની ચકાસણી થઈ શકે છે. એક વાર કામ કરતો અલ્ગોરિધમ મળી જાય, તો તેના વડે અગાઉ અશક્ય લાગતાં સિમ્યુલેશન શક્ય બની શકે છે.” 

કૃત્રિમ બુદ્ધિની કેટલીક પ્રણાલીઓ પોતે નિષ્કર્ષ સુધી કેવી રીતે પહોંચી તેનાં પગલાં દર્શાવ્યા વિના પરિણામો આપી શકે છે. પરંતુ ચાનનું જૂથ Codex વડે એવી આંકડાકીય ગણનાપદ્ધતિઓ સૂચવાવે છે અને અમલમાં મૂકે છે, જેનું તેઓ નિરીક્ષણ અને પરીક્ષણ કરી શકે તથા ભૌતિક અર્થ સમજી શકે.

વિશાળ ભાષા મોડલ હજી પણ ભૂલો કરે છે, અને ઘણા વૈજ્ઞાનિકો સંશોધનમાં કૃત્રિમ બુદ્ધિનો ઉપયોગ કરવા અંગે સાવચેત છે. પરંતુ ચાન માને છે કે વૈજ્ઞાનિક વિચારોની કડક ચકાસણી કરી શકાય છે, એટલે જ વિજ્ઞાન આજની કૃત્રિમ બુદ્ધિની પ્રણાલીઓ માટેના શ્રેષ્ઠ ઉપયોગોમાંનો એક હોઈ શકે છે.

તેમણે કહ્યું, “કોઈ વિચાર આઇન્સ્ટાઇન, કોઈ તેજસ્વી વિદ્યાર્થી કે કૃત્રિમ બુદ્ધિના મોડલ પાસેથી આવ્યો છે એટલા માટે અમે તેને સ્વીકારતા નથી.” “અમે તેને વારંવાર પરીક્ષણ કર્યા પછી જ સ્વીકારીએ છીએ.”

ચાનના મતે, કૃત્રિમ બુદ્ધિ એવું સાધન છે જે સંશોધકોને વધુ વિચારો તપાસવામાં, તેમનું ઝડપથી પરીક્ષણ કરવામાં અને શોધોને વેગ આપવામાં મદદ કરી શકે છે. સાથે જ, ચકાસણી અને ફરી પ્રયોગ કરતાં સમાન પરિણામો મેળવવાના પાયાને જાળવી શકાય છે.

ચાન Codexની મદદથી જે અભિગમો ચકાસી રહ્યા છે તે સફળ થાય, તો નવા અલ્ગોરિધમ વડે વૈજ્ઞાનિકો આખરે કૃષ્ણવિવરોની આસપાસના લાખો કરોડ કણોનું સિમ્યુલેશન કરી શકશે. તેનાથી સંશોધકો દાયકાઓથી તેમની પહોંચની બહાર રહેલી ભૌતિક ઘટનાઓનો અભ્યાસ કરી શકશે.