Lager nye simuleringer av svarte hull med Codex
En beregningsastrofysiker utforsker ytterkantene av det kjente universet mens han arbeider med å lage det første bevegelige bildet av et svart hull.
«Disse verktøyene endrer hvordan vi driver vitenskap på en helt grunnleggende måte.»
Studerer universets ytterkant
Svarte hull finnes i ytterkanten av universet vårt og er vanskelige himmelobjekter for astronomer å studere. De sender ikke ut lys, de kan ikke fanges direkte fordi de er så langt unna – du ville trengt et teleskop på størrelse med jorden for å se ett – og fysikken som styrer dem, stemmer ikke alltid med vår nåværende forståelse.
Ingenting av dette er nytt for beregningsastrofysikeren Chi-kwan «CK» Chan. CK, professor ved University of Arizona, har studert svarte hull i over 20 år. I 2019 var han en del av Event Horizon Telescope-samarbeidet som produserte det første bildet av et svart hull. I år, med støtte fra National Science Foundation(åpnes i et nytt vindu), forfølger de et enda mer ambisiøst mål: å lage det første bevegelige bildet av et svart hull.
CK samler inn data fra 12 m-radioteleskopet ved Arizona Radio Observatory på Kitt Peak National Observatory.
«Svarte hull var opprinnelig basert på teori. Så det er veldig spennende at vi kan observere dem.» – Chi-kwan «CK» Chan
Å forstå hva som mangler, krever at man bygger bedre modeller: matematiske approksimasjoner som beskriver hvordan materie oppfører seg under ekstreme forhold. Men disse ligningene er utrolig komplekse. Selv de største superdatamaskinene sliter med å løse dem, og det kan ta flere års arbeid å utvikle nye tilnærminger. Så CK vendte seg til Codex for å få hjelp til å akselerere denne prosessen.
«Det ville tatt meg ti dager å komme opp med ti nye approksimasjoner. Med Codex kan dette gjøres på minutter.»
CK skriver ut en approksimasjon som studentene hans skal gjennomgå.
CK leder en gruppediskusjon for studentene sine ved University of Arizona.
En håndskrevet matematisk approksimasjon fra CK.
Ny teknologi, nye tilnærminger
Fordi svarte hull finnes så langt unna jorden, er den eneste måten å studere dem på å måle plasmaet som faller inn i dem. CK lager simuleringer av plasmaet og sammenligner dem deretter med observasjonsdataene som samles inn ved teleskopene. «Simuleringene kommer imidlertid til kort», sier CK. «Når vi sammenligner simulering med observasjon, innser vi at plasmaet rundt svarte hull har svært lav tetthet, så vi kan egentlig ikke approksimere plasmaet som en væske.» Den eneste måten CK kan simulere dem riktig på, er ved å følge de enkelte elektronene og ionene. «Og det er rett og slett et beregningsmessig uløselig problem.»
CK bruker Codex til å finne nye numeriske algoritmer som kan hjelpe ham med å lage raskere og mer stabile simuleringer ved å implementere en agent-ferdighet han skrev. «Med Codex kan vi nå automatisk oppdage nye koordinattransformasjoner og algoritmer som kan øke hastigheten på disse beregningene med en faktor på 1000. Det lar oss gjøre simuleringer som tidligere ikke var mulige.»
CK må fortsatt implementere og verifisere hver approksimasjon Codex lager, men denne tilnærmingen har akselerert arbeidsflyten hans og lar ham bruke mer av tiden sin på forskningen. (Gå dypere inn i vitenskapen bak svarte hull og CKs arbeid.)
«I svært lang tid måtte astronomer og forskere være fremragende utviklere for å løse problemene våre. AI lar oss igjen fokusere på de vitenskapelige spørsmålene i stedet for kodingsdelen.»
12 m-radioteleskopet ved Kitt Peak Arizona Radio Observatory er ett av elleve observatorier i Event Horizon Telescope-nettverket.
Codex hjelper CK med å gjennomgå vitenskapelig kode og fange opp feil i statistikk og numeriske metoder, noe som hjelper ham med å produsere mer pålitelige resultater.
CK inne i kontrollrommet til 12 m-radioteleskopet ved Arizona Radio Observatory.
Oppdagelsens fremtid
CK og Event Horizon Telescope-teamet samler for tiden inn data om svarte hull; de håper å publisere det første bevegelige bildet en gang i 2027. CK er spent på hva han kan lære. «Hvis vi lykkes med å fange denne første videoen av et svart hull, vil det åpne en ny æra for astrofysikk om svarte hull på horisontskala og i tidsdomenet», sier han. «Det vil la oss studere hvordan plasma oppfører seg i noen av de mest ekstreme miljøene i universet.»
«Hvis du er nysgjerrig på verden rundt deg, vil du bare fortsette å lete etter nye svar. Og det er slik vi lærer. Det er slik vi utvikler teknologien vår og sivilisasjonen vår.» – Chi-kwan «CK» Chan
CK sammen med Ram, Nayera og Hayden, tre av studentene hans fra University of Arizona, som også arbeider med analyse av data om svarte hull og med å lage nye simuleringer.
«Jeg kommer fra en grasrotfamilie i Hongkong. Så jeg føler meg utrolig heldig som får arbeide i frontlinjen av forskning på svarte hull.» – Chi-kwan «CK» Chan
«Mennesker er oppdagere. Og astronomi er vår ytterste grense for utforskning. Så dette er én måte menneskelig kunnskap kan nå universets ytterkant på.»