Hvernig stjarneðlisfræðingur notar Codex við hermun svarthola

Þyngdaraflið í kringum svarthol er svo gríðarlegt að ekkert, ekki einu sinni ljós, kemst undan þegar það kemur nógu nálægt. Stjarneðlisfræðingar á borð við Chi-kwan Chan rannsaka svarthol með tölvuhermunum og athugunum. En núverandi reiknirit og reiknigeta takmarka hversu vel þessar hermanir geta endurspeglað raunveruleikann.

Chan, sem starfar við Arizonaháskóla og Steward-stjörnustöðina, tekst á við þennan vanda með aðstoð Codex.

Hann segir svarthol meðal bestu staða til að prófa almennu afstæðiskenningu Einsteins. Kenningin er besta skýringin sem við höfum nú á þyngdaraflinu: í stað þess að vera kraftur sem togar hluti saman stafar það af því að massi og orka sveigja tímarúmið.

Chan tekur þátt í alþjóðlega samstarfsverkefninu Event Horizon Telescope (EHT), sem birti fyrstu myndina af svartholi árið 2019. Hópurinn safnar nú athugunargögnum til að búa til fyrsta myndskeiðið af risasvartholi og beinir sjónum sínum að því sem er í miðju vetrarbrautarinnar M87. 

En til að breyta athugunum í vísindalega þekkingu þarf gríðarlega gagnavinnslu, umfangsmikla reikniferla og hermanir sem ráða við að lýsa einhverjum öfgafyllstu eðlisfræðilegu aðstæðum alheimsins.

Þar sem ljós kemst ekki undan svartholi rannsaka vísindamenn þess í stað svæðið umhverfis það sem nefnist sjóndeild, mörkin sem efni kemst ekki aftur yfir þegar það hefur farið inn fyrir þau. „Þetta er yfirborð sem ekki verður snúið aftur frá,“ segir Chan. Efni sem þyrlast rétt utan við þessi mörk gefur frá sér ljós sem stjarneðlisfræðingar geta séð, mælt og hermt. 

Myndin sem EHT birti árið 2019 sýndi skugga svarthols umlukinn glóandi rafgasi nærri sjóndeildinni. Chan tók þátt í að þróa hermunar- og reiknitólin sem hópurinn notaði til að túlka athuganirnar. Síðan þá hafa Chan og samstarfsfólk hans haldið áfram að bæta mælitæki sín og athugunargetu samhliða því að hópurinn færist frá kyrrmyndum yfir í myndskeið.

Tekist á við vanda spíralhreyfinga

Ein stærsta áskorun Chan og teymis hans er að herma rafgasið í kringum svarthol. Rafgas er ofurheitt efni sem samanstendur af rafhlöðnum rafeindum og jónum.

Í mörgum hermunum einfalda vísindamenn lýsinguna á rafgasi með því að meðhöndla það sem flæðiefni og nota vel þekktar jöfnur til að herma hreyfingu þess umhverfis svarthol. Það virkar sæmilega vel í þéttara rafgasi þar sem rafeindir og jónir rekast stöðugt hver á aðra. 

En nálægt risasvartholunum sem Chan og samstarfsfólk hans rannsaka verður rafgasið sums staðar svo heitt og gisið að agnirnar mætast sjaldan. „Þær rekast í raun ekki hver á aðra,“ segir hann. Þess í stað hreyfast agnirnar að mestu í spírölum umhverfis segulsviðslínur. 

Til að herma þessa hegðun rétt þurfa rannsakendur að fylgja billjónum rafeinda og jóna eftir á hraðri gormlaga ferð þeirra umhverfis svarthol. Í hefðbundnum hermunum þarf að reikna hverja örsmáa beygju, sem neyðir tölvurnar til að nota afar stutt tímaskref.

Þess vegna geta jafnvel hraðskreiðustu ofurtölvur heims varið mestum tíma sínum í að reikna þessar örsmáu agnahreyfingar í stað þess að herma hegðunina á stærri kvarða sem vísindamennirnir vilja í raun rannsaka.

„Í áratugi hefur þetta takmarkað hversu raunhæft við getum hermt rafgas við svarthol,“ segir Chan.

Betri stafrænn tvíburi með hjálp gervigreindar

Chan grunaði að nýjar stærðfræðiaðferðir gætu hjálpað til við að komast fram hjá sumum þessara takmarkana. Grunnhugmyndin var að breyta stærðfræðilegri lýsingu agnahreyfinga í hermuninni þannig að tölvan þyrfti ekki lengur að fylgja hverjum örsmáum spíral beint eftir.

„En það hefði tekið gríðarlega langan tíma að kanna alla stærðfræðilega möguleika í höndunum,“ segir Chan. Því leitaði hann til Codex til að fá hjálp við að leiða út möguleg reiknirit og prófa þau með samanburði við þekktar lausnir.

Codex lagði til margar mögulegar aðferðir, en þær voru ekki allar réttar. „En það er allt í lagi,“ segir Chan. „Flestar vísindalegar hugmyndir standast ekki. Það sem skiptir máli er að hægt sé að prófa þessi reiknirit. Þegar þú finnur eitt sem virkar getur það hugsanlega gert hermanir mögulegar sem áður voru óframkvæmanlegar.“ 

Sum gervigreindarkerfi geta skilað niðurstöðum án þess að sýna skrefin sem leiddu til þeirra. En hópur Chans notar Codex til að leggja til og útfæra tölulegar aðferðir sem hægt er að skoða, prófa og skilja út frá eðlisfræðinni.

Stór mállíkön gera enn mistök og margir vísindamenn fara enn varlega í að nota gervigreind við rannsóknir. Chan telur þó að vísindi gætu verið meðal bestu notkunarsviða gervigreindarkerfa nútímans, einmitt vegna þess að hægt er að prófa vísindalegar hugmyndir með ströngum hætti.

„Við samþykkjum ekki hugmynd vegna þess að hún kom frá Einstein, skörpum nemanda eða gervigreindarlíkani,“ segir hann. „Við samþykkjum hana aðeins eftir endurteknar prófanir.“

Chan lítur á gervigreind sem tæki sem getur hjálpað rannsakendum að kanna fleiri hugmyndir, prófa þær hraðar og flýta fyrir uppgötvunum án þess að slaka á kröfum um sannprófun og endurtakanleika.

Ef aðferðirnar sem Chan prófar með Codex reynast árangursríkar gætu nýju reikniritin með tímanum gert vísindamönnum kleift að herma billjónir agna umhverfis svarthol. Það myndi gera rannsakendum kleift að kanna eðlisfræðileg fyrirbæri sem hafa verið utan seilingar í áratugi.