एक खगोलभौतिकशास्त्रज्ञ कृष्णविवरांच्या अनुकरणासाठी Codex कसे वापरतात

कृष्णविवराभोवतीचे गुरुत्वाकर्षण इतके तीव्र असते की त्याच्या पुरेसे जवळ गेल्यावर कशालाही, अगदी प्रकाशालाही, त्यातून सुटता येत नाही. ची-क्वान चॅन यांच्यासारखे खगोलभौतिकशास्त्रज्ञ संगणकीय अनुकरणे आणि निरीक्षणांच्या मदतीने कृष्णविवरांचा अभ्यास करतात. मात्र, सध्याचे कलनविधी आणि संगणकीय क्षमता यांमुळे ही अनुकरणे कितपत वास्तवदर्शी करता येतील याला मर्यादा पडतात.

ॲरिझोना विद्यापीठ आणि स्टुअर्ड वेधशाळेतील संशोधक चॅन हे Codex च्या मदतीने या समस्येवर काम करत आहेत.

आइनस्टाइनच्या व्यापक सापेक्षतावादाच्या सिद्धांताची चाचणी घेण्यासाठी कृष्णविवरे ही सर्वोत्तम ठिकाणांपैकी एक आहेत, असे ते म्हणाले. सध्या गुरुत्वाकर्षणाचे सर्वांत चांगले स्पष्टीकरण हा सिद्धांत देतो: गुरुत्वाकर्षण म्हणजे वस्तूंना एकमेकांकडे ओढणारे बल नसून, वस्तुमान आणि ऊर्जेमुळे अवकाश व काळाच्या रचनेला येणाऱ्या वक्रतेचा परिणाम आहे.

चॅन हे आंतरराष्ट्रीय इव्हेंट होरायझन टेलिस्कोप (ईएचटी) सहयोगी प्रकल्पात सहभागी आहेत. या प्रकल्पाने २०१९ मध्ये कृष्णविवराचे पहिले छायाचित्र प्रसिद्ध केले. सध्या हा संघ अतिप्रचंड कृष्णविवराची पहिली चित्रफीत तयार करण्यासाठी निरीक्षणे गोळा करत असून, त्यांचे लक्ष M87 दीर्घिकेच्या केंद्रस्थानी असलेल्या कृष्णविवरावर आहे. 

मात्र, निरीक्षणांमधून वैज्ञानिक आकलन होण्यासाठी प्रचंड प्रमाणातील माहितीवर प्रक्रिया करावी लागते, मोठ्या प्रमाणावर संगणकीय कार्यप्रवाह वापरावे लागतात आणि विश्वातील काही अत्यंत टोकाच्या भौतिक परिस्थितींचे प्रतिरूप तयार करू शकणारी अनुकरणे करावी लागतात.

कृष्णविवरातून प्रकाश बाहेर पडू शकत नसल्याने, शास्त्रज्ञ त्याऐवजी त्याच्याभोवतीच्या घटना क्षितिज नावाच्या प्रदेशाचा अभ्यास करतात. ही अशी सीमा आहे की ती ओलांडल्यावर पदार्थ बाहेर पडू शकत नाही. “हा पृष्ठभाग ओलांडला की परत येता येत नाही,” चॅन म्हणाले. या सीमेच्या अगदी बाहेर घिरट्या घालणाऱ्या पदार्थातून प्रकाश उत्सर्जित होतो. खगोलभौतिकशास्त्रज्ञ हा प्रकाश पाहू शकतात, त्याचे मोजमाप करू शकतात आणि अनुकरणही करू शकतात. 

ईएचटीने २०१९ मध्ये प्रसिद्ध केलेल्या छायाचित्रात घटना क्षितिजाजवळच्या तेजस्वी प्लाझ्मामध्ये कृष्णविवराची सावली दिसत होती. या निरीक्षणांचा अर्थ लावण्यासाठी संघाने वापरलेली अनुकरणाची आणि संगणकीय साधने विकसित करण्यात चॅन यांनी मदत केली. तेव्हापासून संघ स्थिर छायाचित्रांकडून चित्रफितींकडे वाटचाल करत असून, चॅन आणि त्यांचे सहकारी आपली उपकरणे आणि निरीक्षणक्षमता सतत सुधारत आहेत.

सर्पिल गतीच्या समस्येवर उपाय शोधताना

कृष्णविवरांभोवतीच्या प्लाझ्माचे प्रतिरूप तयार करणे हा चॅन आणि त्यांच्या संघासमोरील सर्वांत मोठ्या अडथळ्यांपैकी एक आहे. प्लाझ्मा म्हणजे विद्युतभारित इलेक्ट्रॉन आणि आयन यांनी बनलेला अतितप्त पदार्थ.

अनेक अनुकरणांमध्ये शास्त्रज्ञ प्लाझ्माला प्रवाही पदार्थ मानून गणना सोपी करतात आणि कृष्णविवराभोवतीच्या त्याच्या हालचालीचे प्रतिरूप तयार करण्यासाठी परिचित समीकरणे वापरतात. अधिक घनतेच्या प्लाझ्मामध्ये इलेक्ट्रॉन आणि आयन सतत एकमेकांवर आदळत असल्याने ही पद्धत बऱ्यापैकी यशस्वी ठरते. 

मात्र, चॅन आणि त्यांचे सहकारी ज्या अतिप्रचंड कृष्णविवरांचा अभ्यास करत आहेत, त्यांच्या जवळ काही प्रदेश इतके उष्ण आणि विरळ होतात की कण क्वचितच एकमेकांच्या संपर्कात येतात. “ते एकमेकांवर खरेतर आदळतच नाहीत,” ते म्हणाले. त्याऐवजी हे कण प्रामुख्याने चुंबकीय क्षेत्ररेषांभोवती सर्पिल मार्गाने फिरतात. 

या वर्तनाचे अचूक प्रतिरूप तयार करण्यासाठी, कृष्णविवराभोवती वेगाने सर्पिल मार्गाने फिरणाऱ्या लाखो कोटी इलेक्ट्रॉन आणि आयन यांचा मागोवा संशोधकांना घ्यावा लागतो. नेहमीच्या अनुकरणांमध्ये प्रत्येक सूक्ष्म वळणाची गणना करावी लागते. त्यामुळे संगणकांना काळाचे अत्यंत छोटे टप्पे घेऊन गणना करावी लागते.

परिणामी, जगातील सर्वांत वेगवान महासंगणकांचाही बहुतांश वेळ या कणांच्या सूक्ष्म हालचालींची गणना करण्यातच जाऊ शकतो. शास्त्रज्ञांना प्रत्यक्षात अभ्यासायच्या असलेल्या व्यापक वर्तनाचे अनुकरण करण्यासाठी तो वापरता येत नाही.

“यामुळे कृष्णविवराभोवतीच्या प्लाझ्माचे किती वास्तवदर्शी अनुकरण करता येईल यावर अनेक दशकांपासून मर्यादा पडल्या आहेत,” चॅन म्हणाले.

अधिक अचूक डिजिटल प्रतिरूपासाठी कृत्रिम बुद्धिमत्तेचा वापर

नव्या गणिती तंत्रांमुळे यांपैकी काही मर्यादांवर मात करता येईल, असे चॅन यांना वाटत होते. अनुकरणात कणांच्या हालचालींचा मागोवा घेण्याची गणिती पद्धत बदलणे ही मूळ कल्पना होती. त्यामुळे संगणकाला प्रत्येक सूक्ष्म सर्पिल फेरीचा थेट मागोवा घ्यावा लागणार नाही.

“पण सर्व गणिती शक्यता स्वतः गणना करून तपासायला प्रचंड वेळ लागला असता,” चॅन म्हणाले. म्हणून संभाव्य कलनविधी शोधून काढण्यासाठी आणि ज्ञात उत्तरांशी तुलना करून त्यांची चाचणी घेण्यासाठी त्यांनी Codex ची मदत घेतली.

Codex ने अनेक संभाव्य पद्धती सुचवल्या. त्या सगळ्याच बरोबर नव्हत्या. “पण त्यात काही गैर नाही,” चॅन म्हणाले. “बहुतेक वैज्ञानिक कल्पना अयशस्वी ठरतात. महत्त्वाचे हे आहे की या कलनविधींची चाचणी घेता येते. एकदा यशस्वी कलनविधी सापडला की पूर्वी अशक्य असलेली अनुकरणे करणे शक्य होऊ शकते.” 

काही कृत्रिम बुद्धिमत्ता प्रणाली निष्कर्षापर्यंत पोहोचण्यासाठी वापरलेले टप्पे न दाखवता निकाल देऊ शकतात. पण चॅन यांचा गट अशा संख्यात्मक पद्धती सुचवण्यासाठी आणि अंमलात आणण्यासाठी Codex वापरतो, ज्यांचे ते परीक्षण करू शकतात, चाचणी घेऊ शकतात आणि भौतिकदृष्ट्या आकलन करू शकतात.

मोठी भाषा मॉडेल अजूनही चुका करतात आणि अनेक शास्त्रज्ञ संशोधनात कृत्रिम बुद्धिमत्ता वापरण्याबाबत अजूनही सावध आहेत. पण वैज्ञानिक कल्पनांची काटेकोर चाचणी घेता येते, नेमक्या याच कारणामुळे आजच्या कृत्रिम बुद्धिमत्ता प्रणालींचा सर्वोत्तम उपयोग होऊ शकणाऱ्या क्षेत्रांपैकी विज्ञान हे एक असू शकते, असे चॅन मानतात.

“एखादी कल्पना आइनस्टाइनने, एखाद्या हुशार विद्यार्थ्याने किंवा कृत्रिम बुद्धिमत्तेच्या मॉडेलने मांडली आहे, एवढ्यासाठीच आम्ही ती स्वीकारत नाही,” ते म्हणाले. “वारंवार चाचण्या घेतल्यानंतरच आम्ही ती स्वीकारतो.”

चॅन यांच्या मते, कृत्रिम बुद्धिमत्ता हे संशोधकांना अधिक कल्पना तपासून पाहण्यासाठी, त्यांच्या चाचण्या वेगाने घेण्यासाठी आणि नवे शोध लवकर लावण्यासाठी मदत करणारे साधन आहे. त्याच वेळी पडताळणी करणे आणि तेच परिणाम पुन्हा मिळवता येणे या मूलभूत निकषांशी बांधिलकी कायम ठेवता येते.

चॅन Codex च्या मदतीने तपासत असलेल्या पद्धती यशस्वी झाल्या, तर नव्या कलनविधींमुळे शास्त्रज्ञांना भविष्यात कृष्णविवरांभोवतीच्या लाखो कोटी कणांचे अनुकरण करता येऊ शकेल. त्यामुळे अनेक दशकांपासून अभ्यासाच्या आवाक्याबाहेर राहिलेल्या भौतिक घटनांचा अभ्यास संशोधकांना करता येईल.