Kif astrofiżiku juża Codex biex jgħinu jissimula toqob suwed

Il-gravità madwar toqba sewda tant hi qawwija li xejn, lanqas id-dawl, ma jista’ jaħrab ladarba jersaq qrib biżżejjed. Astrofiżiċi bħal Chi-kwan Chan jistudjaw it-toqob suwed permezz ta’ simulazzjonijiet bil-kompjuter u osservazzjonijiet. Iżda l-algoritmi u l-kapaċità tal-kompjuters tal-lum jillimitaw kemm dawn is-simulazzjonijiet jistgħu jkunu realistiċi.

Bl-għajnuna ta’ Codex, Chan — riċerkatur fl-Università ta’ Arizona u fl-Osservatorju Steward — qed jindirizza din il-problema.

It-toqob suwed huma fost l-aħjar postijiet fejn tista’ tiġi ttestjata t-teorija tar-relattività ġenerali ta’ Einstein, qal Chan. Bħalissa din it-teorija hija l-aħjar spjegazzjoni li għandna tal-gravità: minflok forza li tiġbed l-oġġetti lejn xulxin, il-gravità hija r-riżultat tal-massa u l-enerġija li jgħawġu l-istruttura tal-ispazju u ż-żmien.

Chan jagħmel parti mill-kollaborazzjoni internazzjonali Event Horizon Telescope (EHT), li ppubblikat l-ewwel immaġni ta’ toqba sewda fl-2019. It-tim bħalissa qed jiġbor osservazzjonijiet biex jipproduċi l-ewwel filmat ta’ toqba sewda supermassiva, b’enfasi fuq dik fiċ-ċentru tal-galassja M87. 

Iżda biex l-osservazzjonijiet iwasslu għal fehim xjentifiku, hemm bżonn jiġu pproċessati ammonti enormi ta’ data, jitħaddmu proċessi komputazzjonali fuq skala kbira, u jsiru simulazzjonijiet li kapaċi jirrappreżentaw uħud mill-aktar fenomeni fiżiċi estremi fl-univers.

Peress li d-dawl ma jistax jaħrab minn toqba sewda, ix-xjenzati minflok jistudjaw ir-reġjun ta’ madwarha msejjaħ l-orizzont tal-avvenimenti, konfini li ladarba l-materja taqsmu ma tkunx tista’ taħrab. “Huwa wiċċ li jekk taqsmu ma tistax terġa’ lura,” qal Chan. Il-materja li ddur eżatt barra dan il-konfini tarmi dawl li l-astrofiżiċi jistgħu jaraw, ikejlu u jissimulaw. 

L-immaġni li ħarġet l-EHT fl-2019 uriet id-dell ta’ toqba sewda mdawwar bi plażma tiddi qrib l-orizzont tal-avvenimenti. Chan għen jiżviluppa l-għodod ta’ simulazzjoni u komputazzjoni li t-tim uża biex jinterpreta l-osservazzjonijiet. Minn dak iż-żmien, Chan u l-kollegi tiegħu komplew itejbu l-istrumenti u l-kapaċitajiet ta’ osservazzjoni tagħhom, hekk kif it-tim qed jgħaddi minn immaġnijiet fissi għal filmati.

Nindirizzaw il-problema tal-moviment spirali

Wieħed mill-akbar ostakli għal Chan u t-tim tiegħu huwa li jirrappreżentaw il-plażma madwar it-toqob suwed permezz ta’ simulazzjonijiet. Il-plażma hija materja msaħħna sa temperaturi estremament għoljin, magħmula minn elettroni u joni b’ċarġ elettriku.

F’ħafna simulazzjonijiet, ix-xjenzati jissimplifikaw il-plażma billi jittrattawha bħala fluwidu, u jużaw ekwazzjonijiet magħrufa sew biex jirrappreżentaw il-moviment tagħha madwar toqba sewda. Dan jaħdem pjuttost tajjeb fi plażma aktar densa, fejn l-elettroni u l-joni kontinwament jaħbtu ma’ xulxin. 

Iżda qrib it-toqob suwed supermassivi li Chan u l-kollegi tiegħu qed jistudjaw, xi reġjuni tant jisħnu u l-materja fihom tant titferrex li l-partiċelli rari jiltaqgħu ma’ xulxin. “Fil-prattika ma jaħbtux ma’ xulxin,” qal Chan. Minflok, il-partiċelli fil-biċċa l-kbira jiċċaqalqu f’forma ta’ spirali madwar il-linji tal-kamp manjetiku. 

Biex jirrappreżentaw din l-imġiba b’mod korrett, ir-riċerkaturi jeħtieġ li jsegwu triljuni ta’ elettroni u joni hekk kif iduru b’ħeffa f’forma ta’ spirali madwar toqba sewda. Is-simulazzjonijiet standard iridu jikkalkulaw kull dawra ċkejkna, u dan iġiegħel lill-kompjuters javvanzaw f’passi ta’ żmien estremament żgħar.

B’riżultat ta’ dan, anki l-aktar superkompjuters veloċi fid-dinja jistgħu jqattgħu l-biċċa l-kbira tal-ħin tagħhom jikkalkulaw dawn il-movimenti ċkejknin tal-partiċelli minflok jissimulaw l-imġiba fuq skala akbar li x-xjenzati fil-fatt iridu jistudjaw.

“Għal għexieren ta’ snin, dan illimita kemm nistgħu nissimulaw b’mod realistiku l-plażma ta’ toqba sewda,” qal Chan.

Nużaw l-IA biex noħolqu tewmi diġitali aħjar

Chan ħaseb li tekniki matematiċi ġodda setgħu jgħinu biex jingħelbu xi wħud minn dawn il-limitazzjonijiet. L-idea bażika kienet li jinbidel, matematikament, il-mod kif is-simulazzjoni ssegwi l-moviment tal-partiċelli, biex il-kompjuter ma jibqax ikollu jsegwi direttament kull spirali ċkejkna.

“Iżda kieku kelli nesplora l-possibbiltajiet matematiċi kollha bl-idejn, kien ikolli bżonn ammont enormi ta’ ħin,” qal Chan. Għalhekk irrikorra għal Codex biex jgħinu jfassal algoritmi possibbli u jittestjahom billi jqabbilhom ma’ soluzzjonijiet magħrufa.

Codex iġġenera ħafna approċċi possibbli — mhux kollha korretti. “Iżda m’hemm xejn ħażin f’dan,” qal Chan. “Il-biċċa l-kbira tal-ideat xjentifiċi ma jirnexxux. Li jgħodd hu li dawn l-algoritmi jistgħu jiġu ttestjati. Ladarba ssib wieħed li jaħdem, jista’ jagħmel possibbli simulazzjonijiet li qabel kienu impossibbli.” 

Xi sistemi tal-IA jistgħu jagħtu riżultati mingħajr ma juru l-passi li użaw biex waslu għall-konklużjonijiet tagħhom. Iżda l-grupp ta’ Chan juża Codex biex jipproponi u jimplimenta metodi numeriċi li huma jistgħu jeżaminaw, jittestjaw u jifhmu mill-aspett fiżiku.

Il-mudelli lingwistiċi kbar għadhom jagħmlu żbalji, u ħafna xjenzati għadhom kawti dwar l-użu tal-IA fir-riċerka. Iżda Chan jemmen li x-xjenza tista’ tkun wieħed mill-aħjar użi għas-sistemi tal-IA tal-lum, proprju għax l-ideat xjentifiċi jistgħu jiġu ttestjati b’mod rigoruż.

“Ma naċċettawx idea għax ġiet mingħand Einstein, mingħand student brillanti, jew minn mudell tal-IA,” qal Chan. “Naċċettawha biss wara li nittestjawha darba wara l-oħra.”

Chan jara l-IA bħala għodda li tista’ tgħin lir-riċerkaturi jesploraw aktar ideat, jittestjawhom aktar malajr u jaċċelleraw l-iskoperti, filwaqt li jibqgħu jserrħu fuq il-verifika u l-possibbiltà li r-riżultati jiġu riprodotti.

Jekk l-approċċi li Chan qed jittestja b’Codex jirnexxu, l-algoritmi l-ġodda jistgħu eventwalment jippermettu lix-xjenzati jissimulaw triljuni ta’ partiċelli madwar toqob suwed. Dan jippermetti lir-riċerkaturi jistudjaw fenomeni fiżiċi li għal għexieren ta’ snin ma setgħux jistudjaw.