Астрофизик қара құрдымдарды модельдеуге Codex-ті қалай қолданады

Қара құрдымның айналасындағы тартылыс соншалықты күшті: оған жеткілікті жақындаған ештеңе, тіпті жарық та одан шыға алмайды. Чи-кван Чан сияқты астрофизиктер қара құрдымдарды компьютерлік модельдеу және бақылау арқылы зерттейді. Алайда қазіргі алгоритмдер мен есептеу қуаты мұндай модельдеудің шынайылыққа қаншалықты жақын болатынын шектейді.

Аризона университеті мен Стюард обсерваториясының зерттеушісі Чан бұл мәселені Codex көмегімен шешуге кірісті.

Оның айтуынша, қара құрдымдар — Эйнштейннің жалпы салыстырмалылық теориясын тексеруге ең қолайлы нысандардың бірі. Қазіргі таңда бұл теория тартылысты ең жақсы түсіндіреді: тартылыс — денелерді бір-біріне тартып тұратын күш емес, масса мен энергияның кеңістік пен уақытты қисайтуының нәтижесі.

Чан 2019 жылы қара құрдымның алғашқы суретін жариялаған халықаралық Event Horizon Telescope (EHT) ғылыми бірлестігіне кіреді. Қазір топ аса үлкен массалы қара құрдымның алғашқы бейнесін жасау үшін бақылау деректерін жинап жатыр. Зерттеу M87 галактикасының орталығындағы қара құрдымға бағытталған. 

Алайда бақылау деректерінен ғылыми тұжырым жасау үшін орасан көп деректі өңдеу, ауқымды есептеу процестерін жүргізу және ғаламдағы ең шектен тыс физикалық жағдайларды модельдей алу қажет.

Жарық қара құрдымнан шыға алмайтындықтан, ғалымдар оның орнына айналасындағы оқиғалар көкжиегі деп аталатын аймақты зерттейді. Бұл — материя одан өткен соң кері шыға алмайтын шекара. «Бұл — өткен соң кері қайту мүмкін емес бет», — дейді Чан. Осы шекараның дәл сыртында айналып жүрген материя жарық шығарады, ал астрофизиктер оны көріп, өлшеп, модельдей алады. 

EHT 2019 жылы жариялаған суретте оқиғалар көкжиегіне жақын жарқыраған плазманың ортасындағы қара құрдымның көлеңкесі көрінді. Чан топтың бақылау деректерін түсіндіру үшін қолданған модельдеу және есептеу құралдарын әзірлеуге атсалысты. Содан бері топ жеке суреттерден бейнеге көшуге ұмтылып келеді, ал Чан мен әріптестері аспаптары мен бақылау мүмкіндіктерін жетілдіруді жалғастыруда.

Шиыршықты қозғалысты модельдеу мәселесін шешу

Чан мен оның тобы үшін ең үлкен кедергілердің бірі — қара құрдымдар айналасындағы плазманы модельдеу. Плазма — электр заряды бар электрондар мен иондардан тұратын, аса жоғары температураға дейін қызған зат.

Көптеген модельдеуде ғалымдар плазманы сұйықтық ретінде қарастырып, есепті жеңілдетеді де, оның қара құрдым айналасындағы қозғалысын белгілі теңдеулер арқылы сипаттайды. Электрондар мен иондар бір-бірімен үнемі соқтығысып тұратын тығыз плазмада бұл тәсіл біршама жақсы нәтиже береді. 

Бірақ Чан мен әріптестері зерттеп жүрген аса үлкен массалы қара құрдымдардың маңында кейбір аймақтар соншалықты ыстық әрі сирек болады, ондағы бөлшектер бір-бірімен сирек ұшырасады. «Олар бір-бірімен іс жүзінде соқтығыспайды», — дейді ол. Оның орнына бөлшектер көбіне магнит өрісінің сызықтарын айнала шиыршық бойымен қозғалады. 

Бұл қозғалысты дұрыс модельдеу үшін зерттеушілер қара құрдымның айналасында шиыршық бойымен жылдам қозғалған триллиондаған электрон мен ионды қадағалауы керек. Дәстүрлі модельдеу әдістері әрбір ұсақ бұрылысты есептеуді талап етеді, сондықтан компьютерлер уақытты өте шағын қадамдарға бөлуге мәжбүр.

Соның салдарынан тіпті әлемдегі ең жылдам суперкомпьютерлер де уақытының көбін ғалымдар шын мәнінде зерттегісі келетін ауқымды процестерді модельдеуге емес, бөлшектердің осы болмашы қозғалыстарын есептеуге жұмсауы мүмкін.

«Ондаған жыл бойы осы мәселе қара құрдым плазмасын шынайылыққа жақын модельдеу мүмкіндігімізді шектеп келді», — дейді Чан.

ЖИ көмегімен дәлірек цифрлық егіз жасау

Чан жаңа математикалық әдістер осы шектеулердің кейбірін айналып өтуге көмектесуі мүмкін деп ойлады. Негізгі ой — компьютер әрбір ұсақ шиыршықты тікелей қадағалауға мәжбүр болмауы үшін модельдеуде бөлшектер қозғалысын бақылау тәсілін математикалық тұрғыдан өзгерту еді.

«Бірақ барлық математикалық мүмкіндікті қолмен зерттеу орасан көп уақыт алар еді», — дейді Чан. Сондықтан ол ықтимал алгоритмдерді шығарып, оларды белгілі шешімдермен салыстыра тексеру үшін Codex көмегіне жүгінді.

Codex көптеген ықтимал тәсілді ұсынды, бірақ олардың бәрі бірдей дұрыс болмады. «Бірақ мұнда тұрған ештеңе жоқ», — дейді Чан. «Ғылыми идеялардың көбі іске аспайды. Ең бастысы — бұл алгоритмдерді тексеруге болады. Жұмыс істейтін біреуін тапсаңыз, ол бұрын мүмкін болмаған модельдеуге жол ашуы ықтимал». 

Кейбір ЖИ жүйелері қорытындыға қандай қадамдар арқылы келгенін көрсетпестен нәтиже бере алады. Ал Чанның тобы Codex көмегімен өздері қарап шығып, тексеріп, физикалық мәнін түсіне алатын сандық схемаларды ұсындырып, іске асырады.

Үлкен тілдік модельдер әлі де қателеседі, сондықтан көптеген ғалым ЖИ-ді зерттеуде қолдануға сақтықпен қарайды. Бірақ Чан ғылыми идеяларды қатаң тексеруге болатындықтан, ғылым қазіргі ЖИ жүйелерін қолдануға ең қолайлы салалардың бірі болуы мүмкін деп санайды.

«Біз идеяны Эйнштейн, дарынды студент немесе ЖИ моделі ұсынғаны үшін ғана қабылдамаймыз», — дейді ол. «Оны бірнеше рет тексергеннен кейін ғана қабылдаймыз».

Чан ЖИ-ді зерттеушілерге көбірек идеяны қарастыруға, оларды жылдамырақ тексеруге және жаңалық ашуды жеделдетуге көмектесетін құрал деп біледі. Бұл ретте тексеру мен нәтижені қайталап алу мүмкіндігі негізгі қағида болып қала береді.

Егер Чан Codex көмегімен сынап жатқан тәсілдер сәтті болса, жаңа алгоритмдер болашақта ғалымдарға қара құрдымдар айналасындағы триллиондаған бөлшекті модельдеуге мүмкіндік беруі мүмкін. Бұл зерттеушілерге ондаған жыл бойы зерттеу мүмкін болмаған физикалық құбылыстарды зерделеуге жол ашар еді.