Како еден астрофизичар симулира црни дупки со помош на Codex

Гравитацијата околу црна дупка е толку силна што ништо, дури ни светлината, не може да избега штом ќе се приближи доволно. Астрофизичари како Чи-кван Чан ги проучуваат црните дупки со компјутерски симулации и набљудувања. Но постојните алгоритми и пресметковната моќ ограничуваат колку реалистични можат да бидат тие симулации.

Со Codex, Чан — истражувач на Универзитетот во Аризона и во опсерваторијата „Стјуард“ — работи на решавање на овој проблем.

Црните дупки се меѓу најдобрите места за проверка на Ајнштајновата општа теорија на релативноста, вели тој. Таа теорија засега е нашето најдобро објаснување за гравитацијата: наместо сила што ги привлекува објектите еден кон друг, гравитацијата е последица на искривувањето на просторот и времето под дејство на масата и енергијата.

Чан е дел од меѓународниот проект „Телескоп на хоризонтот на настани“ (EHT), кој во 2019 година ја објави првата слика на црна дупка. Тимот моментално собира набљудувачки податоци за да го создаде првото видео на супермасивна црна дупка, фокусирајќи се на онаа во центарот на галаксијата M87. 

Но за набљудувањата да се преточат во научно разбирање, потребни се обработка на огромни количества податоци, обемни пресметковни процеси и симулации што можат да моделираат некои од најекстремните физички појави во вселената.

Бидејќи светлината не може да избега од црна дупка, научниците го проучуваат подрачјето околу неа наречено хоризонт на настани — граница по чие преминување материјата не може да избега. „Тоа е површина од која нема враќање“, вели Чан. Материјата што кружи непосредно надвор од оваа граница емитува светлина што астрофизичарите можат да ја видат, измерат и симулираат. 

Сликата што EHT ја објави во 2019 година ја прикажа сенката на црна дупка опкружена со блескава плазма близу хоризонтот на настани. Чан помогна во развојот на алатките за симулација и пресметување што тимот ги користеше за толкување на набљудувањата. Оттогаш, Чан и неговите колеги продолжуваат да ги подобруваат своите инструменти и можности за набљудување, додека тимот преминува од статични слики кон видеа.

Решавање на проблемот со спиралното движење

Една од најголемите пречки за Чан и неговиот тим е моделирањето на плазмата околу црните дупки. Плазмата е материја загреана на екстремно висока температура, составена од електрично наелектризирани електрони и јони.

Во многу симулации, научниците го поедноставуваат описот на плазмата третирајќи ја како флуид и користат добро познати равенки за да го моделираат нејзиното движење околу црна дупка. Тоа функционира прилично добро кај погуста плазма, каде што електроните и јоните постојано се судираат меѓу себе. 

Но во близина на супермасивните црни дупки што ги проучуваат Чан и неговите колеги, плазмата во некои подрачја станува толку жешка и разредена што честичките ретко се среќаваат. „Тие практично не се судираат меѓу себе“, вели тој. Наместо тоа, честичките главно се движат спирално околу линиите на магнетното поле. 

За правилно да го моделираат тоа однесување, истражувачите треба да следат билиони електрони и јони додека тие брзо се движат по спирални патеки околу црна дупка. Стандардните симулации мора да го пресметаат секој мал завој, што ги принудува компјутерите да користат исклучително мали временски чекори.

Поради тоа, дури и најбрзите суперкомпјутери во светот можат да го трошат најголемиот дел од времето пресметувајќи ги овие ситни движења на честичките, наместо да го симулираат однесувањето на поголеми размери што научниците всушност сакаат да го проучат.

„Ова со децении ограничува колку реалистично можеме да ја симулираме плазмата околу црните дупки“, вели Чан.

Создавање подобар дигитален близнак со помош на ВИ

Чан претпоставуваше дека нови математички техники би можеле да помогнат да се заобиколат некои од овие ограничувања. Основната идеја беше математички да се промени начинот на кој симулацијата го следи движењето на честичките, за компјутерот повеќе да не мора директно да ја следи секоја ситна спирала.

„Но рачното истражување на сите математички можности би одзело огромно количество време“, вели Чан. Затоа побара помош од Codex за да изведе можни алгоритми и да ги тестира споредувајќи ги со познати решенија.

Codex генерираше многу можни пристапи — но не сите беа точни. „Но тоа е во ред“, вели Чан. „Повеќето научни идеи не успеваат. Важно е што овие алгоритми можат да се тестираат. Штом ќе најдете еден што функционира, тој потенцијално може да овозможи симулации што претходно биле невозможни.“ 

Некои системи со ВИ можат да дадат резултати без да ги прикажат чекорите со кои дошле до своите заклучоци. Но групата на Чан го користи Codex за предлагање и имплементирање нумерички шеми што можат да ги испитаат, тестираат и разберат од физичка гледна точка.

Големите јазични модели сè уште прават грешки, а многу научници остануваат претпазливи во однос на употребата на ВИ во истражувањата. Но Чан верува дека науката можеби е една од најдобрите примени на денешните системи со ВИ, токму затоа што научните идеи можат темелно да се тестираат.

„Не прифаќаме идеја затоа што дошла од Ајнштајн, од брилијантен студент или од модел на ВИ“, вели тој. „Ја прифаќаме само по повеќекратно тестирање.“

Чан ја гледа ВИ како алатка што може да им помогне на истражувачите да истражат повеќе идеи, побрзо да ги тестираат и да го забрзаат откривањето, а притоа и понатаму да се потпираат на проверка и на можноста резултатите да се повторат.

Ако пристапите што Чан ги тестира со Codex се покажат успешни, новите алгоритми со текот на времето би можеле да им овозможат на научниците да симулираат билиони честички околу црните дупки. Тоа би им овозможило на истражувачите да проучуваат физички појави што со децении биле надвор од нивниот досег.