Creare nuove simulazioni di buchi neri con Codex
Un astrofisico computazionale esplora i confini dell’universo conosciuto mentre lavora alla prima immagine in movimento di un buco nero.
“Questi strumenti stanno cambiando il modo in cui facciamo scienza in maniera davvero fondamentale.”
Studiare il confine dell’universo
I buchi neri esistono ai confini del nostro universo e sono oggetti celesti difficili da studiare per gli astronomi. Non emettono luce, non possono essere catturati direttamente perché sono così lontani—servirebbe un telescopio delle dimensioni della Terra per vederne uno—e la fisica che li governa non sempre coincide con la nostra comprensione attuale.
Nulla di tutto questo è una novità per l’astrofisico computazionale Chi-kwan “CK” Chan. CK, professore all’Università dell’Arizona, studia i buchi neri da oltre 20 anni. Nel 2019 ha fatto parte della collaborazione Event Horizon Telescope che ha prodotto la prima immagine di un buco nero. Quest’anno, con il sostegno della National Science Foundation(si apre in una nuova finestra), perseguono un obiettivo ancora più ambizioso: creare la prima immagine in movimento di un buco nero.
CK raccoglie dati dal radiotelescopio da 12 m dell’Arizona Radio Observatory presso il Kitt Peak National Observatory.
“I buchi neri in origine si basavano sulla teoria. Quindi è estremamente entusiasmante che siamo in grado di osservarli.” —Chi-kwan “CK” Chan
Capire cosa manca richiede di costruire modelli migliori: approssimazioni matematiche che descrivono come si comporta la materia in condizioni estreme. Ma queste equazioni sono incredibilmente complesse. Anche i supercomputer più grandi faticano a risolverle, e sviluppare nuovi approcci può richiedere anni di lavoro. Così CK si è rivolto a Codex per accelerare questo processo.
“Mi servirebbero dieci giorni per ideare dieci nuove approssimazioni. Con Codex, questo si può fare in pochi minuti.”
CK scrive un’approssimazione da far rivedere ai suoi studenti.
CK conduce una discussione di gruppo per i suoi studenti all’Università dell’Arizona.
Un’approssimazione matematica scritta a mano da CK.
Nuove tecnologie, nuovi approcci
Poiché i buchi neri si trovano così lontano dalla Terra, l’unico modo per studiarli è misurare il plasma che vi cade dentro. CK crea simulazioni del plasma e poi le confronta con i dati osservativi raccolti dai telescopi. “Tuttavia, le simulazioni non bastano,” afferma CK. “Quando confrontiamo la simulazione con l’osservazione, ci rendiamo conto che il plasma attorno ai buchi neri ha una densità molto bassa, quindi non possiamo davvero approssimarlo come un fluido.” L’unico modo in cui CK può simularli correttamente è seguire i singoli elettroni e ioni. “E questo è semplicemente un problema intrattabile dal punto di vista computazionale.”
CK usa Codex per trovare nuovi algoritmi numerici che possano aiutarlo a creare simulazioni più rapide e stabili implementando un’abilità da agente che ha scritto. “Con Codex ora siamo in grado di scoprire automaticamente nuove trasformazioni di coordinate e algoritmi che possono accelerare questi calcoli di un fattore 1000. Ci permette di eseguire simulazioni che prima non erano possibili.”
CK deve ancora implementare e verificare ogni approssimazione creata da Codex, ma questo approccio ha accelerato il suo flusso di lavoro e gli consente di dedicare più tempo alla ricerca. (Approfondisci la scienza alla base dei buchi neri e il lavoro di CK.)
“Per moltissimo tempo, astronomi e scienziati dovevano essere sviluppatori eccellenti per risolvere i nostri problemi. L’AI ci permette di tornare a concentrarci sulle domande scientifiche invece che sulla parte di programmazione.”
Il radiotelescopio da 12 m del Kitt Peak Arizona Radio Observatory è uno degli undici osservatori nella rete Event Horizon Telescope.
Codex aiuta CK a revisionare il codice scientifico e a individuare errori nelle statistiche e nei metodi numerici, aiutandolo a produrre risultati più affidabili.
CK all’interno della sala di controllo del radiotelescopio da 12 m dell’Arizona Radio Observatory.
Il futuro della scoperta
CK e il team dell’Event Horizon Telescope stanno attualmente raccogliendo dati sui buchi neri; sperano di pubblicare la prima immagine in movimento nel corso del 2027. CK è entusiasta di ciò che potrebbe imparare. “Se riusciremo a catturare questo primo video di un buco nero, aprirà una nuova era dell’astrofisica dei buchi neri su scala dell’orizzonte e nel dominio del tempo,” afferma. “Ci permetterà di studiare come si comporta il plasma in alcuni degli ambienti più estremi dell’universo.”
“Se sei curioso del mondo che ti circonda, continuerai semplicemente a cercare nuove risposte. Ed è così che impariamo. È così che facciamo progredire la nostra tecnologia e la nostra civiltà.” —Chi-kwan “CK” Chan
CK con Ram, Nayera e Hayden, tre dei suoi studenti dell’Università dell’Arizona che lavorano anche all’analisi dei dati sui buchi neri e alla creazione di nuove simulazioni.
“Vengo da una famiglia popolare di Hong Kong. Quindi mi sento incredibilmente fortunato a poter lavorare alla frontiera della ricerca sui buchi neri.” —Chi-kwan “CK” Chan
“Gli esseri umani sono esploratori. E l’astronomia è la nostra frontiera ultima dell’esplorazione. Quindi questo è un modo per la conoscenza umana di raggiungere il confine dell’universo.”