יצירת סימולציות חדשות של חורים שחורים עם Codex
אסטרופיזיקאי חישובי חוקר את קצוות היקום המוכר, ופועל ליצירת התיעוד המצולם הראשון של חור שחור בתנועה.
"הכלים האלה משנים מן היסוד את הדרך שבה אנחנו עוסקים במדע."
לחקר קצה היקום
חורים שחורים נמצאים בקצה היקום שלנו, והם גרמי שמיים שקשה לאסטרונומים לחקור. הם אינם פולטים אור, אי אפשר לצלם אותם ישירות בגלל המרחק העצום שלהם — כדי לראות חור שחור נדרש טלסקופ בגודל כדור הארץ — והפיזיקה שמכתיבה את התנהגותם לא תמיד מתיישבת עם ההבנה הנוכחית שלנו.
כל זה אינו חדש לאסטרופיזיקאי החישובי צ'י־קוואן "סי־קיי" צ'אן. סי־קיי, פרופסור באוניברסיטת אריזונה, חוקר חורים שחורים כבר למעלה מ־20 שנה. ב־2019 הוא השתתף במיזם המשותף טלסקופ אופק האירועים, שהפיק את התמונה הראשונה של חור שחור. השנה, בתמיכת הקרן הלאומית למדע של ארצות הברית(נפתח בחלון חדש), משתתפי המיזם פועלים להשגת יעד שאפתני עוד יותר: יצירת התיעוד המצולם הראשון של חור שחור בתנועה.
סי־קיי אוסף נתונים מטלסקופ הרדיו בקוטר 12 מטרים של מצפה הרדיו של אריזונה, הנמצא במצפה הכוכבים הלאומי קיט פיק.
"בתחילה, קיומם של חורים שחורים היה מבוסס על תיאוריה בלבד. לכן מרגש כל כך שאנחנו יכולים לצפות בהם." — צ'י־קוואן "סי־קיי" צ'אן
כדי להבין מה חסר, צריך לבנות מודלים טובים יותר: קירובים מתמטיים שמתארים כיצד חומר מתנהג בתנאים קיצוניים. אבל המשוואות האלה מורכבות להפליא. אפילו מחשבי־העל הגדולים ביותר מתקשים לפתור אותן, ופיתוח גישות חדשות עשוי לדרוש שנות עבודה. לכן סי־קיי פנה ל־Codex כדי להאיץ את התהליך.
"היו נדרשים לי עשרה ימים כדי לפתח עשרה קירובים חדשים. עם Codex אפשר לעשות את זה תוך דקות."
סי־קיי כותב קירוב מתמטי כדי שהסטודנטים שלו יוכלו לעיין בו.
סי־קיי מנחה דיון קבוצתי עם הסטודנטים שלו באוניברסיטת אריזונה.
קירוב מתמטי בכתב ידו של סי־קיי.
טכנולוגיה חדשה, גישות חדשות
מכיוון שחורים שחורים נמצאים במרחק כה גדול מכדור הארץ, הדרך היחידה לחקור אותם היא באמצעות מדידת הפלזמה שנופלת לתוכם. סי־קיי יוצר סימולציות של הפלזמה, ואז משווה אותן לנתוני התצפיות שנאספו בטלסקופים. "אבל הסימולציות אינן מדויקות מספיק", אומר סי־קיי. "כשמשווים בין הסימולציה לתצפית, מבינים שצפיפות הפלזמה סביב חורים שחורים נמוכה מאוד, ולכן אי אפשר באמת לתאר אותה בקירוב כזורם." הדרך היחידה שבה סי־קיי יכול לדמות את התופעות האלה כראוי היא לעקוב אחר כל אלקטרון ויון בנפרד. "וזו פשוט בעיה שאי אפשר לפתור במשאבי החישוב הקיימים."
סי־קיי משתמש ב־Codex כדי למצוא אלגוריתמים נומריים חדשים שיעזרו לו ליצור סימולציות מהירות ויציבות יותר, באמצעות מיומנות סוכן שכתב. "עם Codex אנחנו יכולים כעת לגלות אוטומטית התמרות קואורדינטות ואלגוריתמים חדשים שיכולים להאיץ את החישובים האלה פי 1,000. כך אנחנו יכולים לבצע סימולציות שלא היו אפשריות בעבר."
סי־קיי עדיין צריך לממש ולאמת כל קירוב ש־Codex יוצר, אבל הגישה הזו האיצה את תהליך העבודה שלו ומאפשרת לו להקדיש יותר מזמנו למחקר. (להעמקה במדע שמאחורי חורים שחורים ועבודתו של סי־קיי.)
"במשך שנים רבות מאוד, אנחנו האסטרונומים והמדענים נדרשנו להיות גם מפתחי תוכנה מצוינים כדי לפתור את הבעיות שלנו. בינה מלאכותית מאפשרת לנו לחזור ולהתמקד בשאלות המדעיות במקום בכתיבת הקוד."
טלסקופ הרדיו בקוטר 12 מטרים של מצפה הרדיו של אריזונה בקיט פיק הוא אחד מאחד־עשר מצפי הכוכבים ברשת טלסקופ אופק האירועים.
Codex מסייע לסי־קיי לבדוק קוד מדעי ולאתר טעויות בסטטיסטיקה ובשיטות נומריות, וכך להגיע לתוצאות אמינות יותר.
סי־קיי בחדר הבקרה של טלסקופ הרדיו בקוטר 12 מטרים במצפה הרדיו של אריזונה.
עתיד התגליות
סי־קיי וצוות טלסקופ אופק האירועים אוספים כעת נתונים על חורים שחורים. הם מקווים לפרסם את התיעוד המצולם הראשון בתנועה במהלך 2027. סי־קיי נרגש ממה שהוא עשוי לגלות. "אם נצליח לצלם את הסרטון הראשון הזה של חור שחור, נפתח עידן חדש באסטרופיזיקה של חורים שחורים: חקר השינויים לאורך זמן בקנה המידה של אופק האירועים", הוא אומר. "כך נוכל לחקור כיצד פלזמה מתנהגת בכמה מהסביבות הקיצוניות ביותר ביקום."
"כשמסוקרנים מהעולם שסביבנו, פשוט ממשיכים לחפש תשובות חדשות. וכך אנחנו לומדים. כך אנחנו מקדמים את הטכנולוגיה שלנו ואת הציוויליזציה שלנו." — צ'י־קוואן "סי־קיי" צ'אן
סי־קיי עם ראם, נאיירה והיידן, שלושה מהסטודנטים שלו באוניברסיטת אריזונה, שעוסקים גם הם בניתוח נתונים על חורים שחורים וביצירת סימולציות חדשות.
"אני בא ממשפחה מעוטת אמצעים בהונג קונג. לכן אני מרגיש בר מזל באופן יוצא דופן על ההזדמנות לעבוד בחזית המחקר של חורים שחורים." — צ'י־קוואן "סי־קיי" צ'אן
"בני אדם הם חוקרים מטבעם. והאסטרונומיה היא הגבול הרחוק ביותר שאליו אנחנו שואפים במסע הגילוי שלנו. אז זו אחת הדרכים שבהן הידע האנושי יכול להגיע עד קצה היקום."