Tworzenie nowych symulacji czarnych dziur z Codex
Astrofizyk obliczeniowy bada granice znanego wszechświata, pracując nad stworzeniem pierwszego ruchomego obrazu czarnej dziury.
„Te narzędzia zmieniają sposób, w jaki uprawiamy naukę, w bardzo fundamentalny sposób”.
Badanie granicy wszechświata
Czarne dziury istnieją na granicy naszego wszechświata i są obiektami niebieskimi trudnymi do badania dla astronomów. Nie emitują światła, nie da się ich uchwycić bezpośrednio, bo są tak daleko — aby zobaczyć jedną z nich, potrzebny byłby teleskop wielkości Ziemi — a rządzącą nimi fizyka nie zawsze potrafimy wyjaśnić, bazując na naszym obecnym stanie wiedzy.
Dla astrofizyka obliczeniowego Chi-kwana „CK” Chana nic z tego nie jest nowością. CK, profesor Uniwersytetu Arizony, bada czarne dziury od ponad 20 lat. W 2019 roku należał do zespołu Event Horizon Telescope, który stworzył pierwszy obraz czarnej dziury. W tym roku, przy wsparciu Narodowej Fundacji Nauki(otwiera nowe okno), dążą do jeszcze ambitniejszego celu: stworzenia pierwszego ruchomego obrazu czarnej dziury.
CK zbiera dane z 12-metrowego radioteleskopu Arizona Radio Observatory w Kitt Peak National Observatory.
„Czarne dziury pierwotnie stanowiły czystą teorię. Dlatego to niezwykle ekscytujące, że możemy je obserwować”. —Chi-kwan „CK” Chan
Zrozumienie, czego brakuje, wymaga budowania lepszych modeli: matematycznych przybliżeń opisujących, jak materia zachowuje się w ekstremalnych warunkach. Ale te równania są niezwykle złożone. Nawet największe superkomputery mają trudności z ich rozwiązywaniem, a opracowanie nowych podejść może wymagać lat pracy. Dlatego CK przyspiesza te procesy, korzystając z Codex.
„Potrzebowałbym dziesięciu dni, żeby opracować dziesięć nowych przybliżeń. Z Codex można to zrobić w kilka minut”.
CK zapisuje przybliżenie, aby jego studenci mogli je przeanalizować.
CK prowadzi dyskusję grupową ze swoimi studentami na Uniwersytecie Arizony.
Odręczne przybliżenie matematyczne od CK.
Nowa technologia, nowe podejścia
Ponieważ czarne dziury znajdują się tak daleko od Ziemi, jedynym sposobem ich badania jest mierzenie plazmy, która do nich wpada. CK tworzy symulacje plazmy, a następnie porównuje je z danymi obserwacyjnymi zebranymi przez teleskopy. „Symulacje mają jednak ograniczenia” — mówi CK. „Kiedy porównujemy symulację z obserwacją, widzimy, że plazma wokół czarnych dziur ma bardzo niską gęstość, więc tak naprawdę nie możemy przybliżać plazmy jako płynu”. Jedynym sposobem, w jaki CK może poprawnie ją symulować, jest śledzenie pojedynczych elektronów i jonów. „A to jest po prostu problem obliczeniowo nierozwiązywalny”.
CK używa Codex do znajdowania nowych algorytmów numerycznych, które pomagają mu tworzyć szybsze i stabilniejsze symulacje dzięki wdrożeniu napisanej przez niego umiejętności agenta. „Dzięki Codex możemy teraz automatycznie odkrywać nowe transformacje współrzędnych i algorytmy, które mogą przyspieszyć te obliczenia 1000 razy. Pozwala nam to wykonywać symulacje, które wcześniej nie były możliwe”.
CK nadal musi wdrażać i weryfikować każde przybliżenie tworzone przez Codex, ale to podejście przyspieszyło jego pracę i pozwala mu poświęcać więcej czasu na badania. (Dowiedz się więcej o nauce stojącej za czarnymi dziurami i pracą CK).
„Przez bardzo długi czas astronomowie i naukowcy musieli być znakomitymi programistami, aby rozwiązywać nasze problemy. AI pozwala nam znów skupić się na pytaniach naukowych zamiast na części związanej z kodowaniem”.
12-metrowy radioteleskop Kitt Peak Arizona Radio Observatory jest jednym z jedenastu obserwatoriów w sieci Event Horizon Telescope.
Codex pomaga CK przeglądać kod naukowy oraz wychwytywać błędy w statystyce i metodach numerycznych, pomagając mu uzyskiwać bardziej wiarygodne wyniki.
CK w sterowni 12-metrowego radioteleskopu Arizona Radio Observatory.
Przyszłość odkryć
CK i zespół Event Horizon Telescope obecnie zbierają dane o czarnych dziurach; mają nadzieję opublikować pierwszy ruchomy obraz w 2027 roku. CK z ekscytacją myśli o tym, czego może się dowiedzieć. „Jeśli uda nam się zarejestrować ten pierwszy film przedstawiający czarną dziurę, otworzy to nową erę astrofizyki czarnych dziur w domenie czasu i w skali horyzontu” — mówi. „Pozwoli nam to badać, jak plazma zachowuje się w jednych z najbardziej ekstremalnych środowisk we wszechświecie”.
„Jeśli jesteś ciekaw świata wokół siebie, po prostu nie przestajesz szukać nowych odpowiedzi. I właśnie tak się uczymy. Tak rozwijamy naszą technologię i naszą cywilizację”. —Chi-kwan „CK” Chan
CK z Ramem, Nayerą i Haydenem, trojgiem jego studentów z Uniwersytetu Arizony, którzy także pracują nad analizą danych o czarnych dziurach i tworzeniem nowych symulacji.
„Pochodzę z rodziny z niższych warstw społecznych w Hongkongu. Dlatego czuję się niezwykle szczęśliwy, że mogę brać udział w pionierskich badaniach nad czarnymi dziurami”. —Chi-kwan „CK” Chan
„Ludzie są odkrywcami. A astronomia jest naszą ostateczną granicą eksploracji. To jeden ze sposobów, w jaki ludzka wiedza może dotrzeć do granicy wszechświata”.