Skapar nya simuleringar av svarta hål med Codex
En beräkningsastrofysiker utforskar det kända universums ytterkanter medan han arbetar med att konstruera den första rörliga bilden av ett svart hål.
”De här verktygen förändrar hur vi bedriver vetenskap på ett mycket grundläggande sätt.”
Att studera universums rand
Svarta hål finns vid universums rand och är svåra himlakroppar för astronomer att studera. De sänder inte ut ljus, de kan inte fångas direkt eftersom de är så långt borta – du skulle behöva ett teleskop lika stort som jorden för att se ett – och fysiken som styr dem stämmer inte alltid överens med vår nuvarande förståelse.
Inget av detta är någon nyhet för beräkningsastrofysikern Chi-kwan ”CK” Chan. CK, professor vid University of Arizona, har studerat svarta hål i över 20 år. År 2019 var han en del av Event Horizon Telescope-samarbetet som tog fram den första bilden av ett svart hål. I år, med stöd från National Science Foundation(öppnas i ett nytt fönster), strävar de efter ett ännu mer ambitiöst mål: att skapa den första rörliga bilden av ett svart hål.
CK samlar in data från Arizona Radio Observatorys 12-metersradioteleskop vid Kitt Peak National Observatory.
”Svarta hål byggde ursprungligen på teori. Så det är oerhört spännande att vi kan observera dem.” —Chi-kwan ”CK” Chan
Att förstå vad som saknas kräver att man bygger bättre Modeller: matematiska approximationer som beskriver hur materia beter sig under extrema förhållanden. Men de här ekvationerna är oerhört komplexa. Även de största superdatorerna har svårt att lösa dem, och att utveckla nya angreppssätt kan ta år av arbete. Därför vände sig CK till Codex för att få hjälp att påskynda processen.
”Det skulle ta mig tio dagar att komma fram till tio nya approximationer. Med Codex kan det göras på några minuter.”
CK skriver ut en approximation som hans studenter ska granska.
CK leder en gruppdiskussion för sina studenter vid University of Arizona.
En handskriven matematisk approximation från CK.
Ny teknik, nya angreppssätt
Eftersom svarta hål finns så långt bort från jorden är det enda sättet att studera dem att mäta plasman som faller in i dem. CK skapar simuleringar av plasman och jämför dem sedan med observationsdata som samlats in vid teleskopen. ”Simuleringarna räcker dock inte till”, säger CK. ”När vi jämför simulering med observation inser vi att plasman runt svarta hål har mycket låg densitet, så vi kan egentligen inte approximera plasman som en vätska.” Det enda sättet för CK att simulera den korrekt är att följa de enskilda elektronerna och jonerna. ”Och det är helt enkelt ett beräkningsmässigt ohanterligt problem.”
CK använder Codex för att hitta nya numeriska algoritmer som kan hjälpa honom att skapa snabbare och stabilare simuleringar genom att implementera en Agent-färdighet som han skrev. ”Med Codex kan vi nu automatiskt upptäcka nya koordinattransformationer och algoritmer som kan snabba upp dessa beräkningar med en faktor på 1000. Det gör att vi kan göra simuleringar som tidigare inte var möjliga.”
CK måste fortfarande implementera och verifiera varje approximation som Codex skapar, men det här angreppssättet har påskyndat hans arbetsflöde och låter honom lägga mer av sin tid på forskningen. (Fördjupa dig i vetenskapen bakom svarta hål och CK:s arbete.)
”Under mycket lång tid behövde astronomer och forskare vara utmärkta utvecklare för att kunna lösa våra problem. AI gör att vi kan fokusera på de vetenskapliga frågorna igen i stället för på kodningsdelen.”
Kitt Peak Arizona Radio Observatorys 12-metersradioteleskop är ett av elva observatorier i Event Horizon Telescope-nätverket.
Codex hjälper CK att granska vetenskaplig kod och upptäcka misstag i statistik och numeriska metoder, vilket hjälper honom att ta fram mer tillförlitliga resultat.
CK inne i kontrollrummet för Arizona Radio Observatorys 12-metersradioteleskop.
Upptäckandets framtid
CK och Event Horizon Telescope-teamet samlar just nu in data om svarta hål; de hoppas kunna släppa den första rörliga bilden någon gång under 2027. CK är förväntansfull över vad han kan komma att lära sig. ”Om vi lyckas fånga den här första videon av ett svart hål kommer det att öppna en ny era av astrofysik om svarta hål på horisontskala och i tidsdomänen”, säger han. ”Den kommer att låta oss studera hur plasma beter sig i några av universums mest extrema miljöer.”
”Om du är nyfiken på världen omkring dig kommer du bara att fortsätta leta efter nya svar. Och det är så vi lär oss. Det är så vi utvecklar vår teknik och för vår civilisation framåt.” —Chi-kwan ”CK” Chan
CK med Ram, Nayera och Hayden, tre av hans studenter från University of Arizona som också arbetar med analys av data om svarta hål och med att skapa nya simuleringar.
”Jag kommer från en gräsrotsfamilj i Hongkong. Så jag känner mig bara otroligt lyckligt lottad över att få arbeta vid frontlinjen för forskning om svarta hål.” —Chi-kwan ”CK” Chan
”Människor är upptäcktsresande. Och astronomin är vår yttersta gräns för utforskning. Så detta är ett sätt för mänsklig kunskap att nå universums rand.”