Criando novas simulações de buracos negros com o Codex
Um astrofísico computacional explora os limites do universo conhecido enquanto trabalha para construir a primeira imagem em movimento de um buraco negro.
“Essas ferramentas estão mudando a forma como fazemos ciência de uma maneira muito fundamental.”
Estudando os limites do universo
Buracos negros existem nos limites do nosso universo e são objetos celestes difíceis para astrônomos estudarem. Eles não emitem luz, não podem ser capturados diretamente porque estão muito distantes — seria preciso um telescópio do tamanho da Terra para ver um — e a física que os governa nem sempre corresponde ao nosso entendimento atual.
Nada disso é novidade para o astrofísico computacional Chi-kwan “CK” Chan. CK, professor da Universidade do Arizona, estuda buracos negros há mais de 20 anos. Em 2019, ele fez parte da colaboração Event Horizon Telescope, que produziu a primeira imagem de um buraco negro. Neste ano, com o apoio da Fundação Nacional de Ciências(abre em uma nova janela), eles perseguem uma meta ainda mais ambiciosa: criar a primeira imagem em movimento de um buraco negro.
CK coleta dados do radiotelescópio de 12 m do Arizona Radio Observatory no Kitt Peak National Observatory.
“Os buracos negros foram originalmente baseados na teoria. Então é superempolgante podermos observá-los.” —Chi-kwan “CK” Chan
Entender o que está faltando exige construir modelos melhores: aproximações matemáticas que descrevem como a matéria se comporta sob condições extremas. Mas essas equações são incrivelmente complexas. Até os maiores supercomputadores têm dificuldade para resolvê-las, e desenvolver novas abordagens pode exigir anos de trabalho. Então CK recorreu ao Codex para ajudar a acelerar esse processo.
“Eu levaria dez dias para chegar a dez novas aproximações. Com o Codex, isso pode ser feito em minutos.”
CK escrevendo uma aproximação para seus alunos revisarem.
CK conduz uma discussão em grupo com seus alunos na Universidade do Arizona.
Uma aproximação matemática manuscrita de CK.
Novas tecnologias, novas abordagens
Como os buracos negros existem muito longe da Terra, a única forma de estudá-los é medindo o plasma que cai neles. CK cria simulações do plasma e depois as compara com os dados observacionais coletados nos telescópios. “No entanto, as simulações ficam aquém”, diz CK. “Quando comparamos a simulação com a observação, percebemos que o plasma ao redor dos buracos negros tem densidade muito baixa, então não podemos realmente aproximar o plasma como um fluido.” A única forma de CK simulá-los corretamente é acompanhar elétrons e íons individualmente. “E esse é simplesmente um problema computacionalmente intratável.”
CK usa o Codex para encontrar novos algoritmos numéricos que possam ajudá-lo a criar simulações mais rápidas e estáveis, implementando uma habilidade de agente que ele escreveu. “Com o Codex, agora conseguimos descobrir automaticamente novas transformações de coordenadas e algoritmos que podem acelerar esses cálculos por um fator de 1000. Isso nos permite fazer simulações que antes não eram possíveis.”
CK ainda precisa implementar e verificar cada aproximação que o Codex cria, mas essa abordagem acelerou seu fluxo de trabalho e permite que ele concentre mais tempo na pesquisa. (Aprofunde-se na ciência por trás dos buracos negros e do trabalho de CK.)
“Por muito tempo, astrônomos e cientistas precisaram ser excelentes desenvolvedores para resolver nossos problemas. A AI nos permite voltar a focar nas questões científicas, em vez da parte de codificação.”
O radiotelescópio de 12 m do Kitt Peak Arizona Radio Observatory é um dos onze observatórios da rede Event Horizon Telescope.
O Codex ajuda CK a revisar código científico e identificar erros em estatísticas e métodos numéricos, ajudando-o a produzir resultados mais confiáveis.
CK dentro da sala de controle do radiotelescópio de 12 m do Arizona Radio Observatory.
O futuro da descoberta
CK e a equipe do Event Horizon Telescope estão atualmente coletando dados sobre buracos negros; eles esperam lançar a primeira imagem em movimento em algum momento de 2027. CK está animado com o que poderá aprender. “Se conseguirmos capturar este primeiro vídeo de um buraco negro, isso abrirá uma nova era da astrofísica de buracos negros em escala de horizonte e no domínio do tempo”, diz ele. “Isso nos permitirá estudar como o plasma se comporta em alguns dos ambientes mais extremos do universo.”
“Se você tem curiosidade sobre o mundo ao seu redor, continuará buscando novas respostas. E é assim que aprendemos. É assim que fazemos nossa tecnologia avançar, nossa civilização avançar.” —Chi-kwan “CK” Chan
CK com Ram, Nayera e Hayden, três de seus alunos da Universidade do Arizona que também trabalham na análise de dados de buracos negros e na criação de novas simulações.
“Venho de uma família de base em Hong Kong. Por isso, me sinto incrivelmente sortudo por poder trabalhar na fronteira da pesquisa sobre buracos negros.” —Chi-kwan “CK” Chan
“Os humanos são exploradores. E a astronomia é nossa fronteira máxima de exploração. Então esta é uma forma de o conhecimento humano alcançar os limites do universo.”