Создание новых симуляций черных дыр с Codex
Астрофизик-теоретик исследует самые границы известной Вселенной, работая над созданием первого в истории динамического изображения черной дыры.
«Эти инструменты меняют то, как мы занимаемся наукой, самым фундаментальным образом».
Исследование границ Вселенной
Черные дыры существуют на краю нашей Вселенной, и астрономам трудно изучать эти небесные объекты. Они не излучают свет, их нельзя снять напрямую, потому что они так далеко — чтобы увидеть одну, понадобился бы телескоп размером с Землю, — а физика, которая ими управляет, не всегда совпадает с нынешним её пониманием.
Для специалиста по вычислительной астрофизике Чи-Квана «Си-Кея» Чана эти факты давно известны. Профессор Университета Аризоны, Си-Кей занимается исследованиями черных дыр более двух десятилетий. В 2019 году в составе международного научного консорциума «Телескоп горизонта событий» он принимал участие в получении первого прямого снимка черной дыры. В текущем году при грантовой поддержке Национального научного фонда(открывается в новом окне) ученые приступили к реализации еще более масштабной задачи — созданию первого в истории динамического изображения (видеозаписи) черной дыры.
Cи-Кей собирает данные с 12-метрового радиотелескопа Аризонской радиообсерватории в Национальной обсерватории Китт-Пик.
«Изначально существование черных дыр было предсказано исключительно теорией. Поэтому тот факт, что сегодня мы можем реально наблюдать за ними, вызывает невероятный восторг» — Чи-Кван «Си-Кей» Чан.
Чтобы понять, чего не хватает, нужно строить лучшие модели: математические приближения, описывающие поведение материи в экстремальных условиях. Но эти уравнения невероятно сложны. Даже крупнейшим суперкомпьютерам трудно их решать, а разработка новых подходов может занять годы работы. Поэтому Cи-Кей обратился к Codex, чтобы ускорить этот процесс.
«Мне потребовалось бы десять дней, чтобы придумать десять новых приближений. С Codex это можно сделать за минуты».
Cи-Кей записывает приближение, чтобы его студенты могли его рассмотреть.
Си-Кей проводит групповую дискуссию со студентами Аризонского университета.
Рукописное математическое приближение от Си-Кей.
Новые технологии, новые подходы
Поскольку черные дыры находятся на колоссальном расстоянии от Земли, единственный способ изучать их — исследовать падающую в них плазму. Си-Кей создает симуляции поведения этой плазмы, а затем сопоставляет их с наблюдательными данными, полученными с телескопов. «Однако классические симуляции несовершенны, — объясняет Си-Кей. — Сравнивая модель с наблюдениями, мы понимаем, что плазма вокруг черных дыр имеет крайне низкую плотность, поэтому мы не можем аппроксимировать её как обычную жидкость». Единственный способ точно смоделировать процесс — отслеживать движение каждого отдельного электрона и иона. «А это задача колоссальной, практически непреодолимой вычислительной сложности».
Cи-Кей использует Codex, чтобы находить новые численные алгоритмы, которые помогают ему создавать более быстрые и стабильные симуляции благодаря навыку агента, который он написал. «С Codex мы теперь можем автоматически находить новые преобразования координат и алгоритмы, способные ускорить эти вычисления в 1000 раз. Это позволяет нам проводить симуляции, которые раньше были невозможны».
CK по-прежнему должен реализовывать и проверять каждое приближение, созданное Codex, но этот подход ускорил его рабочий процесс и позволяет ему уделять больше времени исследованиям. (Узнайте больше о научной стороне черных дыр и работы Cи-Кей.)
«Очень долго астрономам и ученым нужно было быть отличными разработчиками, чтобы решать наши задачи. ИИ позволяет нам снова сосредоточиться на научных вопросах, а не на части, связанной с кодом».
12-метровый радиотелескоп обсерватории Китт-Пик в Аризоне — один из одиннадцати телескопов, входящих во всемирную сеть «Телескоп горизонта событий».
Codex помогает Cи-Кей проверять научный код и находить ошибки в статистике и численных методах, помогая получать более надежные результаты.
Си-Кей в диспетчерской 12-метрового радиотелескопа Аризонской радиообсерватории.
Будущее открытий
В настоящее время Си-Кей и команда Телескопа горизонта событий заняты сбором данных о черных дырах; они рассчитывают опубликовать первое видео (движущееся изображение) где-то в 2027 году. Си-Кей с воодушевлением ждет результатов, которые принесет это исследование. «Если нам удастся получить первую видеозапись черной дыры, это откроет новую эру во временной астрофизике черных дыр в масштабе горизонта событий, — говорит он. — Мы сможем детально изучить, как ведет себя плазма в самых экстремальных условиях во Вселенной».
«Если вас интересует окружающий мир, вы просто продолжаете искать новые ответы. И именно так мы учимся. Так мы развиваем наши технологии, развиваем нашу цивилизацию» — Чи-Кван «Си-Кей» Чан.
Си-Кей с тремя своими студентами из Аризонского университета — Рамом, Найерой и Хейденом, которые также занимаются анализом данных о черных дырах и созданием новых симуляций.
«Я из простой семьи в Гонконге. Поэтому я чувствую себя невероятно счастливым, что могу работать на переднем крае исследований черных дыр» — Чи-Кван «Си-Кей» Чан
«Люди — исследователи. А астрономия — наш главный рубеж исследований. Так человеческое знание может достичь края Вселенной».