Kaip astrofizikas pasitelkia „Codex“ juodosioms skylėms modeliuoti

Gravitacija aplink juodąją skylę tokia stipri, kad priartėjus pakankamai arti niekas, net šviesa, nebegali ištrūkti. Astrofizikai, tokie kaip Chi-kwan Chanas, tiria juodąsias skyles pasitelkdami kompiuterines simuliacijas ir stebėjimus. Tačiau dabartiniai algoritmai ir skaičiavimo galia riboja šių simuliacijų tikroviškumą.

Arizonos universiteto ir Steward observatorijos tyrėjas Chanas šią problemą sprendžia pasitelkdamas „Codex“.

Pasak jo, juodosios skylės yra vienos tinkamiausių vietų Einsteino bendrajai reliatyvumo teorijai patikrinti. Šiuo metu ši teorija geriausiai paaiškina gravitaciją: tai ne jėga, traukianti objektus vieną prie kito, o masės ir energijos iškreivinto erdvėlaikio pasekmė.

Chanas priklauso tarptautinei Įvykių horizonto teleskopo (EHT) komandai, kuri 2019 m. paskelbė pirmąjį juodosios skylės atvaizdą. Šiuo metu komanda renka stebėjimų duomenis, kad sukurtų pirmąjį supermasyvios juodosios skylės vaizdo įrašą. Dėmesys sutelktas į M87 galaktikos centre esančią juodąją skylę. 

Tačiau norint stebėjimus paversti mokslinėmis žiniomis, reikia apdoroti milžiniškus duomenų kiekius, atlikti didelio masto skaičiavimus ir kurti simuliacijas, galinčias modeliuoti vienus ekstremaliausių fizikinių reiškinių visatoje.

Kadangi šviesa negali ištrūkti iš juodosios skylės, mokslininkai tiria ją supančią sritį, vadinamą įvykių horizontu – ribą, kurią peržengusi materija nebegali ištrūkti. „Tai paviršius, už kurio kelio atgal nebėra“, – sako Chanas. Visai šalia šios ribos, jos išorėje, sūkuriuojanti materija skleidžia šviesą, kurią astrofizikai gali matyti, matuoti ir modeliuoti. 

2019 m. EHT paskelbtame atvaizde matėsi juodosios skylės šešėlis, apsuptas švytinčios plazmos netoli įvykių horizonto. Chanas prisidėjo prie simuliacijų ir skaičiavimo įrankių, kuriais komanda naudojosi stebėjimų duomenims interpretuoti, kūrimo. Nuo tada Chanas ir jo kolegos toliau tobulina savo prietaisus ir plečia stebėjimo galimybes, komandai pereinant nuo statiškų atvaizdų prie vaizdo įrašų.

Spiralinio judėjimo problemos sprendimas

Vienas didžiausių iššūkių Chanui ir jo komandai – modeliuoti plazmą aplink juodąsias skyles. Plazma – itin įkaitusi medžiaga, sudaryta iš elektros krūvį turinčių elektronų ir jonų.

Daugelyje simuliacijų mokslininkai supaprastina plazmos modelį, laikydami ją takiąja terpe ir jos judėjimą aplink juodąją skylę modeliuodami gerai žinomomis lygtimis. Tai gana gerai veikia tankesnėje plazmoje, kur elektronai ir jonai nuolat susiduria vieni su kitais. 

Tačiau šalia supermasyvių juodųjų skylių, kurias tiria Chanas ir jo kolegos, plazma kai kuriose srityse tampa tokia karšta ir reta, kad dalelės beveik nesusiduria. „Jos praktiškai nesusiduria tarpusavyje“, – sako jis. Vietoj to dalelės dažniausiai juda spiralėmis aplink magnetinio lauko linijas. 

Kad tinkamai sumodeliuotų tokį judėjimą, tyrėjai turi sekti trilijonus elektronų ir jonų, kurie sparčiai juda spiralinėmis trajektorijomis aplink juodąją skylę. Įprastose simuliacijose būtina apskaičiuoti kiekvieną menkiausią posūkį, todėl kompiuteriai priversti skaičiuoti itin mažais laiko žingsniais.

Dėl to net sparčiausi pasaulio superkompiuteriai gali didžiąją laiko dalį skirti šiems menkučiams dalelių judesiams skaičiuoti, užuot modeliavę didesnio masto procesus, kuriuos mokslininkai iš tiesų nori tirti.

„Dešimtmečius tai ribojo mūsų galimybes tikroviškai modeliuoti juodąsias skyles supančią plazmą“, – sako Chanas.

Tikslesnio skaitmeninio dvynio kūrimas pasitelkiant DI

Chanas manė, kad nauji matematiniai metodai galėtų padėti apeiti kai kuriuos iš šių apribojimų. Pagrindinė mintis buvo matematiškai pakeisti dalelių judėjimo sekimo būdą simuliacijoje, kad kompiuteriui nebereikėtų tiesiogiai sekti kiekvienos mažytės spiralės.

„Tačiau rankiniu būdu išnagrinėti visas matematines galimybes būtų užtrukę be galo ilgai“, – sako Chanas. Todėl jis pasitelkė „Codex“, kad padėtų išvesti galimus algoritmus ir juos patikrinti lyginant su žinomais sprendiniais.

„Codex“ pasiūlė daug galimų metodų, tačiau ne visi jie buvo teisingi. „Bet tai nieko tokio“, – sako Chanas. „Dauguma mokslinių idėjų nepasiteisina. Svarbu tai, kad šiuos algoritmus galima patikrinti. Radus veikiantį algoritmą, gali atsiverti galimybė atlikti anksčiau neįmanomas simuliacijas.“ 

Kai kurios DI sistemos gali pateikti rezultatus neparodydamos, kokiais žingsniais priėjo prie savo išvadų. Tačiau Chano grupė pasitelkia „Codex“ skaitinėms schemoms siūlyti ir įgyvendinti, o šias schemas jie gali išnagrinėti, išbandyti ir suprasti jų fizikinę prasmę.

Didieji kalbos modeliai vis dar klysta, ir daugelis mokslininkų atsargiai vertina DI naudojimą moksliniuose tyrimuose. Tačiau Chanas mano, kad mokslas gali būti viena tinkamiausių sričių dabartinėms DI sistemoms taikyti būtent todėl, kad mokslines idėjas galima griežtai patikrinti.

„Mes nepriimame idėjos vien todėl, kad ją pasiūlė Einsteinas, gabus studentas ar DI modelis, – sako jis. – Priimame ją tik po daugkartinių patikrinimų.“

Chanui DI yra įrankis, galintis padėti tyrėjams išnagrinėti daugiau idėjų, greičiau jas patikrinti ir paspartinti atradimus, kartu išlaikant patikros ir rezultatų atkuriamumo principus.

Jei metodai, kuriuos Chanas bando pasitelkęs „Codex“, pasiteisins, naujieji algoritmai ilgainiui galėtų leisti mokslininkams modeliuoti trilijonus dalelių aplink juodąsias skyles. Tai leistų tyrėjams nagrinėti fizikinius reiškinius, kurių dešimtmečius nebuvo įmanoma tirti.