Hogyan szimulál fekete lyukakat egy asztrofizikus a Codex segítségével?

A fekete lyuk körüli gravitáció olyan erős, hogy semmi, még a fény sem szabadulhat ki, ha elég közel kerül hozzá. Az asztrofizikusok, köztük Chi-kwan Chan, számítógépes szimulációkkal és megfigyelésekkel tanulmányozzák a fekete lyukakat. A jelenlegi algoritmusok és a számítási kapacitás azonban korlátozzák, hogy mennyire lehetnek valósághűek ezek a szimulációk.

Chan, az Arizonai Egyetem és a Steward Obszervatórium kutatója a Codex segítségével dolgozik a probléma megoldásán.

Mint mondja, a fekete lyukak a legalkalmasabb helyek közé tartoznak Einstein általános relativitáselméletének tesztelésére. Jelenleg ez az elmélet adja a legjobb magyarázatot a gravitációra: eszerint a gravitáció nem a testeket egymáshoz vonzó erő, hanem annak a következménye, hogy a tömeg és az energia meggörbíti a tér és az idő szövetét.

Chan a nemzetközi Eseményhorizont Távcső (EHT) együttműködés tagja, amely 2019-ben közzétette az első képet egy fekete lyukról. A csapat jelenleg megfigyelési adatokat gyűjt, hogy elkészítse az első videót egy szupernagy tömegű fekete lyukról. Ehhez az M87 galaxis középpontjában található fekete lyukat vizsgálják. 

Ahhoz azonban, hogy a megfigyelésekből tudományos ismeretek szülessenek, hatalmas mennyiségű adatot kell feldolgozni, nagyszabású számítási munkafolyamatokra van szükség, valamint olyan szimulációkra, amelyek képesek modellezni az univerzum legszélsőségesebb fizikai jelenségeit.

Mivel a fény nem szabadulhat ki a fekete lyukból, a tudósok ehelyett az azt körülvevő, eseményhorizontnak nevezett régiót vizsgálják: azt a határt, amelyen túlról az anyag már nem juthat ki. „Ez egy olyan felület, amelyen túlról nincs visszatérés” – mondja Chan. A közvetlenül e határon kívül örvénylő anyag fényt bocsát ki, amelyet az asztrofizikusok megfigyelhetnek, mérhetnek és szimulálhatnak. 

Az EHT által 2019-ben közzétett képen egy fekete lyuk árnyéka látszott az eseményhorizont közelében izzó plazmába ágyazva. Chan részt vett azoknak a szimulációs és számítási eszközöknek a fejlesztésében, amelyekkel a csapat a megfigyeléseket értelmezte. Chan és munkatársai azóta is fejlesztik műszereiket és megfigyelési képességeiket, miközben a csapat az állóképektől a videók felé halad.

A spirális mozgás problémájának megoldása

Chan és csapata számára az egyik legnagyobb akadály a fekete lyukak körüli plazma modellezése. A plazma rendkívül forró anyag, amely elektromos töltéssel rendelkező elektronokból és ionokból áll.

Sok szimulációban a tudósok az egyszerűség kedvéért folyadékként kezelik a plazmát, és jól ismert egyenletekkel modellezik a fekete lyuk körüli mozgását. Ez viszonylag jól működik a sűrűbb plazmában, ahol az elektronok és ionok folyamatosan ütköznek egymással. 

A Chan és munkatársai által vizsgált szupernagy tömegű fekete lyukak közelében azonban egyes régiók annyira forróvá és ritkává válnak, hogy a részecskék alig találkoznak egymással. „Nemigen ütköznek egymással” – mondja. Ehelyett a részecskék többnyire spirális pályán mozognak a mágneses erővonalak körül. 

E viselkedés pontos modellezéséhez a kutatóknak elektronok és ionok billióit kell követniük, amint sebesen, csavarvonalban mozognak a fekete lyuk körül. A hagyományos szimulációknak minden apró fordulatot ki kell számítaniuk, ezért a számítógépeknek rendkívül kis időlépésekkel kell dolgozniuk.

Így még a világ leggyorsabb szuperszámítógépei is idejük nagy részét tölthetik ezeknek a parányi részecskemozgásoknak a kiszámításával, ahelyett, hogy a tudósokat valójában érdeklő, nagyobb léptékű viselkedést szimulálnák.

„Ez évtizedek óta korlátozza, hogy mennyire valósághűen tudjuk szimulálni a fekete lyukak körüli plazmát” – mondja Chan.

Pontosabb digitális iker létrehozása MI-vel

Chan sejtette, hogy új matematikai módszerekkel e korlátok egy része megkerülhető lenne. Az alapötlet az volt, hogy matematikailag megváltoztatják, hogyan követi a szimuláció a részecskék mozgását, így a számítógépnek többé nem kell közvetlenül végigkövetnie minden apró spirált.

„De az összes matematikai lehetőség kézi feltárása rengeteg időt vett volna igénybe” – mondja Chan. Ezért a Codexhez fordult, hogy segítsen levezetni a lehetséges algoritmusokat, és ismert megoldásokkal összevetve tesztelni őket.

A Codex számos lehetséges megközelítést dolgozott ki – nem mindegyik volt helyes. „De ez nem baj” – mondja Chan. „A legtöbb tudományos ötlet nem válik be. Az számít, hogy ezek az algoritmusok tesztelhetők. Ha találunk egyet, amely működik, az olyan szimulációkat is lehetővé tehet, amelyek korábban elképzelhetetlenek voltak.” 

Egyes MI-rendszerek úgy adnak eredményeket, hogy nem mutatják meg, milyen lépésekben jutottak a következtetéseikre. Chan csoportja viszont arra használja a Codexet, hogy olyan numerikus módszereket javasoljon és valósítson meg, amelyeket a kutatók megvizsgálhatnak, tesztelhetnek és fizikai szempontból is megérthetnek.

A nagy nyelvi modellek továbbra is hibáznak, és sok tudós óvatosan viszonyul az MI kutatási célú használatához. Chan szerint azonban a tudomány lehet a mai MI-rendszerek egyik legjobb alkalmazási területe, éppen azért, mert a tudományos elképzelések szigorú vizsgálatnak vethetők alá.

„Nem azért fogadunk el egy ötletet, mert Einsteintől, egy tehetséges diáktól vagy egy MI-modelltől származik” – mondja. „Csak ismételt tesztelés után fogadjuk el.”

Chan olyan eszköznek tekinti az MI-t, amely segíthet a kutatóknak több ötletet feltárni, gyorsabban tesztelni őket és felgyorsítani a felfedezéseket, miközben az ellenőrzés és a reprodukálhatóság továbbra is alapvető marad.

Ha beválnak a Chan által a Codex segítségével tesztelt megközelítések, az új algoritmusok idővel lehetővé tehetik a tudósoknak, hogy részecskék billióit szimulálják a fekete lyukak körül. Ez olyan fizikai jelenségek vizsgálatát tenné lehetővé, amelyek évtizedek óta kívül esnek a kutatás lehetőségein.