Ինչպես է աստղաֆիզիկոսը Codex-ի օգնությամբ մոդելավորում սև խոռոչները
Codex-ն օգնում է Չի-կվան Չանին կատարելագործել և փորձարկել սև խոռոչի շուրջ էլեկտրոնների ու իոնների շարժումը մոդելավորող ալգորիթմները։
Սև խոռոչի շուրջ ձգողությունն այնքան ուժեղ է, որ բավականաչափ մոտենալուց հետո ոչինչ, նույնիսկ լույսը, չի կարող դուրս պրծնել։ Չի-կվան Չանի նման աստղաֆիզիկոսներն ուսումնասիրում են սև խոռոչները համակարգչային մոդելավորման և դիտարկումների միջոցով։ Սակայն ներկայիս ալգորիթմներն ու հաշվողական հզորությունները սահմանափակում են այդ մոդելավորման իրատեսականությունը։
Արիզոնայի համալսարանի և Ստյուարդի աստղադիտարանի հետազոտող Չանը Codex-ի օգնությամբ փորձում է լուծել այս խնդիրը։
Նրա խոսքով՝ սև խոռոչները Էյնշտեյնի հարաբերականության ընդհանուր տեսությունը ստուգելու լավագույն վայրերից են։ Այս տեսությունը ներկայումս ձգողության մեր լավագույն բացատրությունն է. ձգողությունը մարմիններն իրար մոտեցնող ուժ չէ, այլ զանգվածի և էներգիայի ազդեցությամբ տարածության ու ժամանակի կորացման արդյունք։
Չանը «Իրադարձությունների հորիզոնի աստղադիտակ» (EHT) միջազգային համագործակցության մասնակից է։ Այս խումբը 2019 թվականին հրապարակեց սև խոռոչի առաջին պատկերը։ Այժմ թիմը դիտարկումների տվյալներ է հավաքում գերզանգվածային սև խոռոչի առաջին տեսանյութը ստեղծելու համար՝ կենտրոնանալով M87 գալակտիկայի կենտրոնում գտնվող սև խոռոչի վրա։
Սակայն դիտարկումները գիտական գիտելիքի վերածելու համար անհրաժեշտ են ահռելի ծավալի տվյալների մշակում, լայնածավալ հաշվողական գործընթացներ և մոդելավորում, որը կարող է նկարագրել տիեզերքի ամենածայրահեղ ֆիզիկական երևույթներից մի քանիսը։
Քանի որ լույսը չի կարող դուրս գալ սև խոռոչից, գիտնականներն ուսումնասիրում են դրա շուրջ գտնվող շրջանը՝ իրադարձությունների հորիզոնը. դա այն սահմանն է, որից այն կողմ նյութն այլևս չի կարող դուրս պրծնել։ «Դա մի մակերևույթ է, որից այն կողմ վերադարձ չկա»,— ասում է Չանը։ Այս սահմանից անմիջապես դուրս պտտվող նյութը լույս է արձակում, որը աստղաֆիզիկոսները կարող են տեսնել, չափել և մոդելավորել։
EHT-ի՝ 2019 թվականին հրապարակած պատկերում երևում էր սև խոռոչի ստվերը՝ իրադարձությունների հորիզոնի մոտ գտնվող լուսարձակող պլազմայի մեջ։ Չանը մասնակցել է մոդելավորման և հաշվարկների գործիքների մշակմանը, որոնք թիմն օգտագործել է դիտարկումները մեկնաբանելու համար։ Այդ ժամանակից ի վեր Չանն ու նրա գործընկերները շարունակել են կատարելագործել իրենց գործիքներն ու դիտարկման հնարավորությունները՝ անշարժ պատկերներից դեպի տեսանյութեր անցնելու համար։
Գերհամակարգչային մոդելավորմամբ ստեղծված կարճ տեսանյութ, որը ցույց է տալիս պլազմայի շարժումը Ծիր Կաթին գալակտիկայի կենտրոնում գտնվող սև խոռոչի շուրջ։
Հեղինակ՝ EHT-ի տեսական հետազոտությունների աշխատանքային խումբ / Սի Քեյ Չան
Պարուրաձև շարժման խնդրի լուծումը
Չանի և նրա թիմի ամենամեծ խոչընդոտներից մեկը սև խոռոչների շուրջ պլազմայի մոդելավորումն է։ Պլազման չափազանց տաք նյութ է, որը կազմված է էլեկտրական լիցք կրող էլեկտրոններից և իոններից։
Մոդելավորման ժամանակ գիտնականները հաճախ պարզեցնում են պլազմայի նկարագրությունը՝ այն դիտարկելով որպես հոսուն միջավայր և հայտնի հավասարումներով մոդելավորելով դրա շարժումը սև խոռոչի շուրջ։ Այս մոտեցումը բավական լավ է աշխատում ավելի խիտ պլազմայում, որտեղ էլեկտրոններն ու իոններն անընդհատ բախվում են միմյանց։
Սակայն Չանի և նրա գործընկերների ուսումնասիրած գերզանգվածային սև խոռոչների մոտ որոշ շրջաններ այնքան տաք ու նոսր են դառնում, որ մասնիկները հազվադեպ են հանդիպում միմյանց։ «Դրանք գործնականում չեն բախվում միմյանց»,— ասում է նա։ Փոխարենը՝ մասնիկները հիմնականում պարուրաձև շարժվում են մագնիսական դաշտի գծերի շուրջ։
Այդ վարքը ճիշտ մոդելավորելու համար հետազոտողները պետք է հետևեն տրիլիոնավոր էլեկտրոնների և իոնների, որոնք սև խոռոչի շուրջ արագ պարուրաձև շարժում են կատարում։ Ստանդարտ մոդելավորման դեպքում պետք է հաշվարկել յուրաքանչյուր չնչին պտույտը, ինչի պատճառով համակարգիչները ստիպված են աշխատել ժամանակային չափազանց փոքր քայլերով։
Արդյունքում նույնիսկ աշխարհի ամենաարագ գերհամակարգիչները կարող են ժամանակի մեծ մասը ծախսել մասնիկների այս չնչին շարժումները հաշվարկելու վրա՝ այն խոշորամասշտաբ վարքը մոդելավորելու փոխարեն, որը գիտնականներն իրականում ցանկանում են ուսումնասիրել։
«Տասնամյակներ շարունակ սա սահմանափակել է սև խոռոչի պլազման իրատեսորեն մոդելավորելու մեր հնարավորությունները»,— ասում է Չանը։
ԱԲ-ի օգնությամբ ավելի ճշգրիտ թվային երկվորյակի ստեղծում
Չանը ենթադրում էր, որ նոր մաթեմատիկական մեթոդները կարող են օգնել շրջանցել այս սահմանափակումներից մի քանիսը։ Հիմնական գաղափարը մոդելավորման ընթացքում մասնիկների շարժմանը հետևելու մաթեմատիկական եղանակը փոխելն էր, որպեսզի համակարգիչն այլևս ստիպված չլինի անմիջականորեն հետևել յուրաքանչյուր փոքրիկ պարույրի։
«Սակայն բոլոր մաթեմատիկական հնարավորությունները ձեռքով ուսումնասիրելը հսկայական ժամանակ կպահանջեր»,— ասում է Չանը։ Ուստի նա դիմեց Codex-ի օգնությանը՝ հնարավոր ալգորիթմներ ստանալու և դրանք հայտնի լուծումների հետ համեմատելով ստուգելու համար։
Codex-ը բազմաթիվ հնարավոր մոտեցումներ առաջարկեց, որոնցից ոչ բոլորն էին ճիշտ։ «Բայց դա խնդիր չէ»,— ասում է Չանը։ «Գիտական գաղափարների մեծ մասը ձախողվում է։ Կարևորն այն է, որ այս ալգորիթմները հնարավոր է ստուգել։ Աշխատող տարբերակ գտնելը կարող է ճանապարհ բացել նախկինում անհնար մոդելավորումների համար»։
ԱԲ որոշ համակարգեր կարող են արդյունքներ տրամադրել՝ առանց ցույց տալու, թե ինչ քայլերով են հասել իրենց եզրակացություններին։ Սակայն Չանի խումբը Codex-ն օգտագործում է այնպիսի թվային սխեմաներ առաջարկելու և իրագործելու համար, որոնք իրենք կարող են մանրամասն ուսումնասիրել, ստուգել և հասկանալ ֆիզիկական տեսանկյունից։
Լեզվական մեծ մոդելները դեռ սխալվում են, և շատ գիտնականներ շարունակում են զգուշավոր լինել հետազոտություններում ԱԲ կիրառելու հարցում։ Սակայն Չանը կարծում է, որ գիտությունը կարող է լինել այսօրվա ԱԲ համակարգերի կիրառման լավագույն ոլորտներից մեկը հենց այն պատճառով, որ գիտական գաղափարները կարելի է խիստ ստուգման ենթարկել։
«Մենք չենք ընդունում որևէ գաղափար միայն այն պատճառով, որ այն առաջարկել է Էյնշտեյնը, մի խելացի ուսանող կամ ԱԲ մոդելը»,— ասում է նա։ «Մենք այն ընդունում ենք միայն բազմակի ստուգումներից հետո»։
Չանն ԱԲ-ն դիտարկում է որպես գործիք, որը կարող է օգնել հետազոտողներին ավելի շատ գաղափարներ ուսումնասիրել, դրանք ավելի արագ ստուգել և արագացնել բացահայտումները՝ միաժամանակ հավատարիմ մնալով ստուգման և արդյունքների վերարտադրելիության սկզբունքներին։
Եթե Codex-ի օգնությամբ Չանի փորձարկած մոտեցությունները հաջողվեն, նոր ալգորիթմները կարող են ի վերջո գիտնականներին թույլ տալ մոդելավորել սև խոռոչների շուրջ տրիլիոնավոր մասնիկների շարժումը։ Դա հետազոտողներին հնարավորություն կտա ուսումնասիրել ֆիզիկական երևույթներ, որոնք տասնամյակներ շարունակ անհասանելի են եղել։
- 2026
