Ustvarjanje novih simulacij črnih lukenj s Codexom
Računalniški astrofizik raziskuje robove znanega vesolja, medtem ko si prizadeva ustvariti prvi gibljivi posnetek črne luknje.
»Ta orodja zelo korenito spreminjajo način ukvarjanja z znanostjo.«
Preučevanje roba vesolja
Črne luknje obstajajo na robu našega vesolja in so nebesna telesa, ki jih astronomi težko preučujejo. Ne oddajajo svetlobe, neposredno jih ni mogoče ujeti, ker so tako daleč – za opazovanje ene bi potrebovali teleskop velikosti Zemlje –, fizika, ki jih ureja, pa se ne ujema vedno z našim trenutnim razumevanjem.
Nič od tega ni novica za računalniškega astrofizika Chi-kwana »CK« Chana. CK, profesor na Univerzi v Arizoni, črne luknje preučuje že več kot 20 let. Leta 2019 je sodeloval pri projektu Event Horizon Telescope, ki je postregel s prvo sliko črne luknje. Letos s podporo Nacionalne znanstvene fundacije(odpre se v novem oknu) sledijo še ambicioznejšemu cilju: ustvariti prvi gibljivi posnetek črne luknje.
CK zbira podatke z 12-metrskega radijskega teleskopa Arizona Radio Observatory na Nacionalnem observatoriju Kitt Peak.
»Črne luknje so sprva temeljile na teoriji. Zato je izjemno vznemirljivo, da jih lahko opazujemo.« – Chi-kwan »CK« Chan
Da bi razumeli, kaj manjka, je treba zgraditi boljše modele: matematične aproksimacije, ki opisujejo, kako se snov obnaša v skrajnih razmerah. Toda te enačbe so izjemno zapletene. Tudi največji superračunalniki jih težko rešujejo, razvoj novih pristopov pa lahko zahteva leta dela. Zato se je CK obrnil na Codex, da bi pomagal pospešiti ta proces.
»Za deset novih aproksimacij bi potreboval deset dni. S Codexom je to mogoče opraviti v nekaj minutah.«
CK zapisuje aproksimacijo, da jo njegovi študenti pregledajo.
CK vodi skupinsko razpravo za svoje študente na Univerzi v Arizoni.
CK-jeva ročno napisana matematična aproksimacija.
Nova tehnologija, novi pristopi
Ker so črne luknje tako daleč od Zemlje, jih lahko preučujemo le z merjenjem plazme, ki pada vanje. CK ustvarja simulacije plazme in jih nato primerja z opazovalnimi podatki, zbranimi na teleskopih. »Vendar simulacije niso dovolj dobre,« pravi CK. »Ko primerjamo simulacijo z opazovanjem, ugotovimo, da ima plazma okoli črnih lukenj zelo nizko gostoto, zato je v resnici ne moremo aproksimirati kot tekočine.« Edini način, da jih CK pravilno simulira, je sledenje posameznim elektronom in ionom. »In to je računsko preprosto nerešljiv problem.«
CK uporablja Codex za iskanje novih numeričnih algoritmov, ki mu lahko pomagajo ustvarjati hitrejše in stabilnejše simulacije z uporabo veščine agenta, ki jo je napisal. »S Codexom lahko zdaj samodejno odkrivamo nove koordinatne transformacije in algoritme, ki lahko te izračune pospešijo za faktor 1000. Omogoča nam izvajanje simulacij, ki prej niso bile mogoče.«
CK mora še vedno implementirati in preveriti vsako aproksimacijo, ki jo ustvari Codex, vendar je ta pristop pospešil njegov potek dela in mu omogoča, da več časa nameni raziskavam. (Poglobite se v znanost o črnih luknjah in CK-jevem delu.)
»Zelo dolgo so morali biti astronomi in znanstveniki odlični razvijalci, da so lahko rešili naše probleme. UI nam omogoča, da se znova osredotočimo na znanstvena vprašanja namesto na kodiranje.«
12-metrski radijski teleskop Kitt Peak Arizona Radio Observatory je eden od enajstih observatorijev v mreži Event Horizon Telescope.
Codex pomaga CK-ju pregledovati znanstveno kodo ter odkrivati napake v statistiki in numeričnih metodah, kar mu pomaga ustvarjati zanesljivejše rezultate.
CK v nadzorni sobi 12-metrskega radijskega teleskopa observatorija Arizona Radio Observatory.
Prihodnost odkrivanja
CK in ekipa Event Horizon Telescope trenutno zbirajo podatke o črnih luknjah; upajo, da bo prvi gibljivi posnetek objavljen v letu 2027. CK je navdušen nad tem, kaj bi se lahko naučil. »Če nam uspe posneti ta prvi videoposnetek črne luknje, bo to odprlo novo dobo astrofizike črnih lukenj na ravni horizonta in v časovni domeni,« pravi. »Omogočilo nam bo preučevanje obnašanja plazme v nekaterih najbolj skrajnih okoljih v vesolju.«
»Če vas zanima svet okoli sebe, boste preprosto še naprej iskali nove odgovore. In tako se učimo. Tako razvijamo svojo tehnologijo in svojo civilizacijo.« – Chi-kwan »CK« Chan
CK z Ramom, Nayero in Haydnom, tremi svojimi študenti z Univerze v Arizoni, ki prav tako delajo na analizi podatkov o črnih luknjah in ustvarjanju novih simulacij.
»Prihajam iz preproste družine v Hongkongu. Zato se počutim izjemno srečnega, da lahko delam na meji raziskovanja črnih lukenj.« – Chi-kwan »CK« Chan
»Ljudje smo raziskovalci. In astronomija je naša skrajna meja raziskovanja. To je torej eden od načinov, kako lahko človeško znanje doseže rob vesolja.«