Nieuwe simulaties van zwarte gaten maken met Codex
Een computationeel astrofysicus verkent de randen van het bekende universum terwijl hij werkt aan het eerste bewegende beeld van een zwart gat.
'Deze tools veranderen op een zeer fundamentele manier hoe we wetenschap bedrijven.'
De rand van het universum bestuderen
Zwarte gaten bestaan aan de rand van ons universum en zijn voor astronomen moeilijk te bestuderen hemellichamen. Ze zenden geen licht uit, ze kunnen niet rechtstreeks worden vastgelegd omdat ze zo ver weg zijn, je zou een telescoop ter grootte van de aarde nodig hebben om er een te zien, en de natuurkunde die ze beheerst, sluit niet altijd aan bij ons huidige begrip.
Niets hiervan is nieuws voor computationeel astrofysicus Chi-kwan 'CK' Chan. CK, professor aan de University of Arizona, bestudeert al meer dan 20 jaar zwarte gaten. In 2019 maakte hij deel uit van de Event Horizon Telescope-samenwerking die de eerste afbeelding van een zwart gat produceerde. Dit jaar streven ze, met steun van de National Science Foundation(opent in een nieuw venster), een nog ambitieuzer doel na: het maken van het eerste bewegende beeld van een zwart gat.
CK verzamelt data van de 12m-radiotelescoop van het Arizona Radio Observatory bij het Kitt Peak National Observatory.
'Zwarte gaten waren oorspronkelijk gebaseerd op theorie. Dus het is enorm opwindend dat we ze kunnen waarnemen.' – Chi-kwan 'CK' Chan
Begrijpen wat er ontbreekt, vereist het bouwen van betere modellen: wiskundige benaderingen die beschrijven hoe materie zich onder extreme omstandigheden gedraagt. Maar deze vergelijkingen zijn ongelooflijk complex. Zelfs de grootste supercomputers hebben moeite om ze op te lossen, en het ontwikkelen van nieuwe benaderingen kan jaren werk kosten. Daarom wendde CK zich tot Codex om dit proces te helpen versnellen.
'Het zou me tien dagen kosten om tien nieuwe benaderingen te bedenken. Met Codex kan dit in enkele minuten.'
CK schrijft een benadering uit die zijn studenten kunnen bekijken.
CK leidt een groepsgesprek voor zijn studenten aan de University of Arizona.
Een handgeschreven wiskundige benadering van CK.
Nieuwe technologie, nieuwe benaderingen
Omdat zwarte gaten zich zo ver van de aarde bevinden, is de enige manier om ze te bestuderen het meten van het plasma dat erin valt. CK maakt simulaties van het plasma en vergelijkt die vervolgens met de observatiegegevens die bij de telescopen zijn verzameld. 'Maar de simulaties schieten tekort', zegt CK. 'Wanneer we simulaties met observaties vergelijken, zien we dat het plasma rond zwarte gaten een zeer lage dichtheid heeft, waardoor we het plasma eigenlijk niet als een fluïdum kunnen benaderen.' De enige manier waarop CK ze correct kan simuleren, is door de afzonderlijke elektronen en ionen te volgen. 'En dat is gewoon een computationeel onhanteerbaar probleem.'
CK gebruikt Codex om nieuwe numerieke algoritmen te vinden die hem kunnen helpen snellere, stabielere simulaties te maken door een agent-vaardigheid te implementeren die hij schreef. 'Met Codex kunnen we nu automatisch nieuwe coördinatentransformaties en algoritmen ontdekken die deze berekeningen met een factor 1000 kunnen versnellen. Daardoor kunnen we simulaties uitvoeren die eerder niet mogelijk waren.'
CK moet nog steeds elke benadering die Codex maakt implementeren en verifiëren, maar deze aanpak heeft zijn workflow versneld en geeft hem meer tijd om zich op het onderzoek te richten. (Verdiep je in de wetenschap achter zwarte gaten en het werk van CK.)
'Heel lang moesten astronomen en wetenschappers uitstekende ontwikkelaars zijn om onze problemen op te lossen. AI stelt ons in staat ons weer te richten op de wetenschappelijke vragen in plaats van op het programmeerwerk.'
De 12m-radiotelescoop van het Kitt Peak Arizona Radio Observatory is een van de elf observatoria in het Event Horizon Telescope-netwerk.
Codex helpt CK wetenschappelijke code te controleren en fouten in statistiek en numerieke methoden op te sporen, waardoor hij betrouwbaardere resultaten kan produceren.
CK in de controlekamer van de 12m-radiotelescoop van het Arizona Radio Observatory.
De toekomst van ontdekking
CK en het Event Horizon Telescope-team verzamelen momenteel data over zwarte gaten; ze hopen ergens in 2027 het eerste bewegende beeld uit te brengen. CK is enthousiast over wat hij mogelijk zal leren. 'Als we deze eerste video van een zwart gat met succes vastleggen, opent dat een nieuw tijdperk van astrofysica van zwarte gaten op horizonschaal en in het tijdsdomein', zegt hij. 'Het stelt ons in staat te bestuderen hoe plasma zich gedraagt in enkele van de meest extreme omgevingen in het universum.'
'Als je nieuwsgierig bent naar de wereld om je heen, blijf je gewoon zoeken naar nieuwe antwoorden. En zo leren we. Zo ontwikkelen we onze technologie verder en brengen we onze beschaving vooruit.' – Chi-kwan 'CK' Chan
CK met Ram, Nayera en Hayden, drie van zijn studenten aan de University of Arizona die ook werken aan de analyse van data over zwarte gaten en aan het maken van nieuwe simulaties.
'Ik kom uit een eenvoudig gezin in Hongkong. Daarom voel ik me ongelooflijk gelukkig dat ik in de voorhoede van het onderzoek naar zwarte gaten kan werken.' – Chi-kwan 'CK' Chan
'Mensen zijn ontdekkingsreizigers. En astronomie is de ultieme grens van onze verkenning. Dit is dus één manier waarop menselijke kennis de rand van het universum kan bereiken.'