כך אסטרופיזיקאי נעזר ב-Codex ליצירת סימולציות של חורים שחורים
Codex עוזר לצ׳י־קוואן צ׳אן לשפר ולבדוק אלגוריתמים המדמים את תנועתם של אלקטרונים ויונים סביב חור שחור.
הכבידה סביב חור שחור כה חזקה, עד ששום דבר שמתקרב אליו מספיק — אפילו אור — אינו יכול להימלט. אסטרופיזיקאים כמו צ׳י־קוואן צ׳אן חוקרים חורים שחורים באמצעות סימולציות ממוחשבות ותצפיות. אבל האלגוריתמים וכוח המחשוב הקיימים מגבילים את מידת הדיוק שבה הסימולציות האלה יכולות לשקף את המציאות.
בעזרת Codex, צ׳אן — חוקר באוניברסיטת אריזונה ובמצפה הכוכבים סטיוארד — מתמודד עם הבעיה הזאת.
לדבריו, חורים שחורים הם מהמקומות הטובים ביותר לבחינת תורת היחסות הכללית של איינשטיין. התורה הזאת היא כיום ההסבר הטוב ביותר שיש לנו לכבידה: לא כוח שמושך עצמים זה אל זה, אלא תוצאה של עיקום מארג המרחב והזמן על ידי מסה ואנרגיה.
צ׳אן שותף במיזם הבינלאומי טלסקופ אופק האירועים (EHT), שפרסם את התמונה הראשונה של חור שחור ב-2019. הצוות אוסף כעת נתוני תצפיות כדי להפיק את הסרטון הראשון של חור שחור על־מסיבי, ומתמקד בחור השחור שבמרכז הגלקסיה M87.
אבל כדי להפוך תצפיות להבנה מדעית, נדרשים עיבוד של כמויות נתונים עצומות, תהליכי חישוב רחבי היקף וסימולציות המסוגלות לדמות כמה מהתופעות הפיזיקליות הקיצוניות ביותר ביקום.
מכיוון שאור אינו יכול להימלט מחור שחור, המדענים חוקרים במקום זאת את האזור שסביבו, המכונה אופק האירועים — גבול שמעבר לו חומר אינו יכול להימלט. ״זהו משטח שאין ממנו חזרה״, אמר צ׳אן. חומר שמסתחרר ממש מחוץ לגבול הזה פולט אור שאסטרופיזיקאים יכולים לראות, למדוד ולדמות.
התמונה שפרסם מיזם EHT ב-2019 הראתה את צילו של חור שחור בתוך פלזמה זוהרת בקרבת אופק האירועים. צ׳אן סייע בפיתוח כלי הסימולציה והמחשוב שבהם השתמש הצוות כדי לפרש את התצפיות. מאז, צ׳אן ועמיתיו ממשיכים לשפר את המכשור ואת יכולות התצפית שלהם, ככל שהצוות מתקדם מתמונות סטילס לסרטונים.
סרטון קצר שנוצר בסימולציה במחשב־על, המציג את תנועת הפלזמה סביב החור השחור שבמרכז גלקסיית שביל החלב.
קרדיט: קבוצת העבודה התאורטית של EHT / CK Chan
מתמודדים עם אתגר התנועה הספירלית
אחד המכשולים הגדולים ביותר שעומדים בפני צ׳אן וצוותו הוא בניית מודלים של הפלזמה סביב חורים שחורים. פלזמה היא חומר בטמפרטורה גבוהה מאוד, המורכב מאלקטרונים ומיונים בעלי מטען חשמלי.
בסימולציות רבות, המדענים מפשטים את תיאור הפלזמה ומתייחסים אליה כאל זורם, תוך שימוש במשוואות מוכרות כדי לדמות את תנועתה סביב חור שחור. הגישה הזאת עובדת היטב למדי בפלזמה צפופה יותר, שבה האלקטרונים והיונים מתנגשים זה בזה ללא הרף.
אבל ליד החורים השחורים העל־מסיביים שצ׳אן ועמיתיו חוקרים, יש אזורים חמים ודלילים כל כך, שהחלקיקים כמעט אינם נתקלים זה בזה. ״הם לא ממש מתנגשים זה בזה״, אמר. במקום זאת, החלקיקים נעים בעיקר בתנועה ספירלית סביב קווי שדה מגנטי.
כדי לדמות את ההתנהגות הזאת נכון, החוקרים צריכים לעקוב אחר טריליוני אלקטרונים ויונים שנעים במהירות במסלולים לולייניים סביב חור שחור. בסימולציות רגילות צריך לחשב כל סיבוב זעיר, ולכן המחשבים נאלצים להתקדם בצעדי זמן קטנים ביותר.
כתוצאה מכך, אפילו מחשבי־העל המהירים בעולם עלולים להקדיש את רוב זמנם לחישוב התנועות הזעירות האלה של החלקיקים, במקום לדמות את ההתנהגות בקנה המידה הגדול יותר שהמדענים מעוניינים לחקור.
״במשך עשרות שנים, המגבלה הזאת קבעה עד כמה הסימולציות שלנו של פלזמה סביב חורים שחורים יכולות להיות מציאותיות״, אמר צ׳אן.
בניית תאום דיגיטלי טוב יותר בעזרת בינה מלאכותית
צ׳אן סבר ששיטות מתמטיות חדשות עשויות לעזור לעקוף חלק מהמגבלות האלה. הרעיון הבסיסי היה לשנות, מבחינה מתמטית, את האופן שבו הסימולציה עוקבת אחר תנועת החלקיקים, כך שהמחשב כבר לא יצטרך לעקוב ישירות אחר כל תנועה ספירלית זעירה.
״אבל בחינה ידנית של כל האפשרויות המתמטיות הייתה אורכת זמן עצום״, אמר צ׳אן. לכן הוא פנה ל-Codex כדי שיעזור לו לגזור אלגוריתמים אפשריים ולבדוק אותם מול פתרונות מוכרים.
Codex יצר גישות אפשריות רבות — לא כולן נכונות. ״אבל זה בסדר״, אמר צ׳אן. ״רוב הרעיונות המדעיים נכשלים. מה שחשוב הוא שאפשר לבדוק את האלגוריתמים האלה. ברגע שמוצאים אלגוריתם שעובד, הוא עשוי לאפשר סימולציות שקודם לכן היו בלתי אפשריות.״
חלק ממערכות הבינה המלאכותית יכולות לספק תוצאות בלי להציג את השלבים שהובילו למסקנות שלהן. אבל הקבוצה של צ׳אן נעזרת ב-Codex כדי להציע ולממש שיטות נומריות שהחוקרים יכולים לבחון, לבדוק ולהבין מבחינה פיזיקלית.
מודלי שפה גדולים עדיין טועים, ומדענים רבים עדיין נזהרים בשימוש בבינה מלאכותית למחקר. אבל צ׳אן מאמין שהמדע עשוי להיות אחד השימושים הטובים ביותר למערכות הבינה המלאכותית של ימינו, דווקא משום שאפשר לבחון רעיונות מדעיים באופן קפדני.
״אנחנו לא מקבלים רעיון רק מפני שהוא הגיע מאיינשטיין, מסטודנט מבריק או ממודל בינה מלאכותית״, אמר. ״אנחנו מקבלים אותו רק אחרי בדיקות חוזרות ונשנות.״
צ׳אן רואה בבינה מלאכותית כלי שיכול לעזור לחוקרים לבחון יותר רעיונות, לבדוק אותם מהר יותר ולהאיץ גילויים, תוך שמירה על אימות הממצאים ועל היכולת לשחזרם.
אם הגישות שצ׳אן בודק בעזרת Codex יצליחו, האלגוריתמים החדשים עשויים לאפשר בסופו של דבר למדענים לדמות טריליוני חלקיקים סביב חורים שחורים. כך יוכלו החוקרים לחקור תופעות פיזיקליות שבמשך עשרות שנים נותרו מחוץ להישג ידם.
- 2026
