Criar novas simulações de buracos negros com Codex
Um astrofísico computacional explora os limites do universo conhecido enquanto trabalha para construir a primeira imagem em movimento de um buraco negro.
«Estas ferramentas estão a mudar a forma como fazemos ciência de uma maneira muito fundamental.»
Estudar os limites do universo
Os buracos negros existem nos limites do nosso universo e são objetos celestes difíceis de estudar para os astrónomos. Não emitem luz, não podem ser captados diretamente porque estão tão longe — seria necessário um telescópio do tamanho da Terra para ver um — e a física que os rege nem sempre corresponde à nossa compreensão atual.
Nada disto é novidade para o astrofísico computacional Chi-kwan «CK» Chan. CK, professor na Universidade do Arizona, estuda buracos negros há mais de 20 anos. Em 2019, fez parte da colaboração Event Horizon Telescope, que produziu a primeira imagem de um buraco negro. Este ano, com o apoio da Fundação Nacional de Ciência(abre numa nova janela), procuram atingir um objetivo ainda mais ambicioso: criar a primeira imagem em movimento de um buraco negro.
CK recolhe dados do radiotelescópio de 12 m do Observatório de Rádio do Arizona no Observatório Nacional de Kitt Peak.
«Os buracos negros baseavam-se originalmente na teoria. Por isso, é extremamente entusiasmante podermos observá-los.» —Chi-kwan «CK» Chan
Compreender o que falta exige construir modelos melhores: aproximações matemáticas que descrevam como a matéria se comporta em condições extremas. Mas estas equações são incrivelmente complexas. Mesmo os maiores supercomputadores têm dificuldade em resolvê-las, e desenvolver novas abordagens pode exigir anos de trabalho. Por isso, CK recorreu a Codex para ajudar a acelerar este processo.
«Eu demoraria dez dias a criar dez novas aproximações. Com Codex, isto pode ser feito em minutos.»
CK a escrever uma aproximação para os seus estudantes reverem.
CK lidera uma discussão em grupo para os seus estudantes na Universidade do Arizona.
Uma aproximação matemática manuscrita de CK.
Nova tecnologia, novas abordagens
Como os buracos negros existem tão longe da Terra, a única forma de os estudar é medindo o plasma que cai neles. CK cria simulações do plasma e depois compara-as com os dados observacionais recolhidos nos telescópios. «No entanto, as simulações ficam aquém», diz CK. «Quando comparamos a simulação com a observação, percebemos que o plasma em redor dos buracos negros tem uma densidade muito baixa, pelo que não podemos realmente aproximar o plasma como um fluido.» A única forma de CK os simular corretamente é seguir os eletrões e iões individuais. «E isso é simplesmente um problema computacionalmente intratável.»
CK usa Codex para encontrar novos algoritmos numéricos que o podem ajudar a criar simulações mais rápidas e mais estáveis, implementando uma competência de agente que escreveu. «Com Codex, agora conseguimos descobrir automaticamente novas transformações de coordenadas e algoritmos que podem acelerar estes cálculos por um fator de 1000. Permite-nos fazer simulações que antes não eram possíveis.»
CK ainda tem de implementar e verificar cada aproximação que Codex cria, mas esta abordagem acelerou o seu fluxo de trabalho e permite-lhe dedicar mais tempo à investigação. (Aprofunde a ciência por detrás dos buracos negros e do trabalho de CK.)
«Durante muito tempo, os astrónomos e cientistas precisaram de ser excelentes programadores para resolver os nossos problemas. A AI permite-nos voltar a concentrar-nos nas questões científicas em vez da parte da programação.»
O radiotelescópio de 12 m do Observatório de Rádio do Arizona em Kitt Peak é um dos onze observatórios da rede Event Horizon Telescope.
Codex ajuda CK a rever código científico e a detetar erros em estatística e métodos numéricos, ajudando-o a produzir resultados mais fiáveis.
CK dentro da sala de controlo do radiotelescópio de 12 m do Observatório de Rádio do Arizona.
O futuro da descoberta
CK e a equipa do Event Horizon Telescope estão atualmente a recolher dados sobre buracos negros; esperam divulgar a primeira imagem em movimento algures em 2027. CK está entusiasmado com o que poderá aprender. «Se conseguirmos captar este primeiro vídeo de um buraco negro, isso abrirá uma nova era da astrofísica de buracos negros à escala do horizonte e no domínio temporal», diz. «Permitirá estudar como o plasma se comporta em alguns dos ambientes mais extremos do universo.»
«Se tem curiosidade sobre o mundo à sua volta, continuará simplesmente à procura de novas respostas. E é assim que aprendemos. É assim que fazemos avançar a nossa tecnologia, fazemos avançar a nossa civilização.» —Chi-kwan «CK» Chan
CK com Ram, Nayera e Hayden, três dos seus estudantes 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, sinto-me incrivelmente sortudo por poder trabalhar na fronteira da investigação sobre buracos negros.» —Chi-kwan «CK» Chan
«Os seres humanos são exploradores. E a astronomia é a nossa fronteira final de exploração. Por isso, esta é uma forma de o conhecimento humano chegar ao limite do universo.»