Kā astrofiziķis izmanto Codex, lai simulētu melnos caurumus

Gravitācija melnā cauruma tuvumā ir tik spēcīga, ka nekas, pat gaisma, nevar no tā izkļūt, ja nonāk pietiekami tuvu. Astrofiziķi, piemēram, Či Kvans Čans, pēta melnos caurumus, izmantojot datorsimulācijas un novērojumus. Taču pašreizējie algoritmi un skaitļošanas jauda ierobežo to, cik precīzi šīs simulācijas var atspoguļot realitāti.

Arizonas Universitātes un Stjuarda observatorijas pētnieks Čans šo problēmu risina ar Codex palīdzību.

Melnie caurumi ir vienas no piemērotākajām vietām, kur pārbaudīt Einšteina vispārīgo relativitātes teoriju, viņš skaidro. Šī teorija pašlaik ir mūsu labākais gravitācijas skaidrojums: gravitācija nav spēks, kas pievelk objektus citu citam, bet gan sekas tam, ka masa un enerģija izliec telplaiku.

Čans piedalās starptautiskajā Notikumu horizonta teleskopa (EHT) projektā, kura ietvaros 2019. gadā tika publicēts pirmais melnā cauruma attēls. Pašlaik komanda apkopo novērojumus, lai izveidotu pirmo supermasīva melnā cauruma video, pievēršoties melnajam caurumam galaktikas M87 centrā. 

Taču, lai novērojumi pārtaptu zinātniskā izpratnē, ir jāapstrādā milzīgs datu apjoms, jāveic plaša mēroga skaitļošanas uzdevumi un jāizmanto simulācijas, kas spēj modelēt fizikālos procesus vienos no ekstremālākajiem apstākļiem Visumā.

Tā kā gaisma nevar izkļūt no melnā cauruma, zinātnieki pēta apgabalu ap to — notikumu horizontu, robežu, aiz kuras matērija vairs nevar izkļūt ārā. „Tā ir virsma, aiz kuras atpakaļceļa nav,“ saka Čans. Matērija, kas virpuļo tieši ārpus šīs robežas, izstaro gaismu, kuru astrofiziķi var novērot, mērīt un simulēt. 

EHT 2019. gadā publicētajā attēlā bija redzama melnā cauruma ēna, ko ieskauj kvēlojoša plazma netālu no notikumu horizonta. Čans palīdzēja izstrādāt simulācijas un skaitļošanas rīkus, kurus komanda izmantoja novērojumu interpretēšanai. Kopš tā laika Čans un viņa kolēģi turpina pilnveidot instrumentus un novērošanas iespējas, komandai virzoties no nekustīgiem attēliem uz video.

Spirālveida kustības radītās problēmas risinājums

Viens no lielākajiem šķēršļiem Čanam un viņa komandai ir plazmas modelēšana ap melnajiem caurumiem. Plazma ir līdz ārkārtīgi augstai temperatūrai sakarsēta viela, kas sastāv no elektriski lādētiem elektroniem un joniem.

Daudzās simulācijās zinātnieki vienkāršo plazmas aprakstu, uzskatot to par plūstošu vidi un izmantojot labi zināmus vienādojumus, lai modelētu tās kustību ap melno caurumu. Šī pieeja diezgan labi darbojas blīvākā plazmā, kur elektroni un joni pastāvīgi saduras cits ar citu. 

Taču Čana un viņa kolēģu pētīto supermasīvo melno caurumu tuvumā plazma vietām kļūst tik karsta un retināta, ka daļiņas reti sastopas. „Tās gandrīz nemaz nesaduras,“ viņš skaidro. Tā vietā daļiņas lielākoties pārvietojas pa spirālēm ap magnētiskā lauka līnijām. 

Lai pareizi modelētu šo kustību, pētniekiem jāizseko triljoniem elektronu un jonu, kas strauji pārvietojas pa spirālveida trajektorijām ap melno caurumu. Standarta simulācijās jāaprēķina katrs niecīgais pagrieziens, tāpēc datoriem jāizmanto ārkārtīgi mazi laika soļi.

Tādēļ pat pasaulē ātrākie superdatori var veltīt lielāko daļu laika šo niecīgo daļiņu kustību aprēķināšanai, nevis to plašāka mēroga procesu simulēšanai, kurus zinātnieki patiesībā vēlas pētīt.

„Gadu desmitiem tas ir ierobežojis to, cik precīzi mēs spējam simulēt plazmu ap melnajiem caurumiem,“ saka Čans.

Precīzāka digitālā dvīņa veidošana ar MI palīdzību

Čans pieļāva, ka jaunas matemātiskās metodes varētu palīdzēt apiet daļu šo ierobežojumu. Pamatideja bija matemātiski mainīt veidu, kā simulācija izseko daļiņu kustībai, lai datoram vairs nebūtu tieši jāseko katrai sīkajai spirālei.

„Taču visu matemātisko iespēju izpēte ar roku būtu prasījusi milzum daudz laika,“ saka Čans. Tāpēc viņš vērsās pie Codex, lai ar tā palīdzību izstrādātu iespējamos algoritmus un pārbaudītu tos, salīdzinot ar zināmiem risinājumiem.

Codex piedāvāja daudzas iespējamās pieejas, taču ne visas bija pareizas. „Bet tas nekas,“ saka Čans. „Lielākā daļa zinātnisko ideju neattaisnojas. Svarīgi ir tas, ka šos algoritmus var pārbaudīt. Kad izdodas atrast tādu, kas darbojas, tas var pavērt ceļu simulācijām, kuras iepriekš nebija iespējamas.“ 

Dažas MI sistēmas var sniegt rezultātus, neparādot soļus, kā tās nonākušas pie saviem secinājumiem. Taču Čana grupa izmanto Codex, lai tas piedāvātu un īstenotu skaitliskās shēmas, kuras pētnieki var izskatīt, pārbaudīt un izprast no fizikas viedokļa.

Lielie valodas modeļi joprojām kļūdās, un daudzi zinātnieki pret MI izmantošanu pētniecībā izturas piesardzīgi. Taču Čans uzskata, ka zinātne varētu būt viena no piemērotākajām jomām mūsdienu MI sistēmu izmantošanai tieši tāpēc, ka zinātniskās idejas var stingri pārbaudīt.

„Mēs nepieņemam ideju tikai tāpēc, ka to izteicis Einšteins, apdāvināts students vai MI modelis,“ viņš saka. „Mēs to pieņemam tikai pēc atkārtotām pārbaudēm.“

Čans uzskata MI par rīku, kas var palīdzēt pētniekiem izpētīt vairāk ideju, ātrāk tās pārbaudīt un paātrināt atklājumus, vienlaikus saglabājot pārbaudāmību un reproducējamību kā pētniecības pamatu.

Ja pieejas, kuras Čans pārbauda ar Codex palīdzību, izrādīsies veiksmīgas, jaunie algoritmi ar laiku varētu ļaut zinātniekiem simulēt triljoniem daļiņu ap melnajiem caurumiem. Tas ļautu pētniekiem izpētīt fizikālos procesus, kas gadu desmitiem bijuši ārpus viņu izpētes iespējām.