Jinsi mwanafizikia wa anga anavyotumia Codex kusaidia kuiga mashimo meusi

Mvuto karibu na shimo jeusi ni mkubwa sana kiasi kwamba hakuna kitu, hata mwanga, kinachoweza kuponyoka kikilikaribia vya kutosha. Wanafizikia wa anga kama Chi-kwan Chan huchunguza mashimo meusi kwa kutumia uigaji wa kompyuta na uchunguzi wa anga. Lakini algoriti na uwezo wa kompyuta zilizopo sasa zinaweka kikomo cha jinsi uigaji huo unavyoweza kukaribia uhalisia.

Kwa msaada wa Codex, Chan—mtafiti katika Chuo Kikuu cha Arizona na Kituo cha Uchunguzi wa Anga cha Steward—anashughulikia tatizo hili.

Alisema mashimo meusi ni miongoni mwa maeneo bora zaidi ya kupima nadharia ya Einstein ya uhusiano wa jumla. Kwa sasa, nadharia hii ndiyo maelezo bora zaidi tuliyo nayo kuhusu mvuto: badala ya kuwa nguvu inayovuta vitu pamoja, mvuto hutokana na maada na nishati kupinda muundo wa nafasi na wakati.

Chan ni sehemu ya ushirikiano wa kimataifa wa Event Horizon Telescope (EHT), uliochapisha picha ya kwanza ya shimo jeusi mwaka wa 2019. Kwa sasa, timu hiyo inakusanya data za uchunguzi ili kutengeneza video ya kwanza ya shimo jeusi lenye masi kubwa kupita kiasi, ikilenga lile lililo katikati ya galaksi ya M87. 

Lakini kupata uelewa wa kisayansi kutokana na uchunguzi kunahitaji kuchakata data nyingi sana, kutumia mifumo mikubwa ya kazi za kompyuta, na kufanya uigaji unaoweza kuwakilisha baadhi ya hali kali zaidi za kifizikia ulimwenguni.

Kwa kuwa mwanga hauwezi kuponyoka kwenye shimo jeusi, wanasayansi badala yake huchunguza eneo linalolizunguka linaloitwa upeo wa matukio, mpaka ambao maada ikiuvuka haiwezi kuponyoka. “Ni mpaka ambao ukiuvuka huwezi kurudi,” alisema Chan. Maada inayozunguka nje kidogo ya mpaka huu hutoa mwanga ambao wanafizikia wa anga wanaweza kuona, kupima na kuiga. 

Picha iliyotolewa na EHT mwaka wa 2019 ilionyesha kivuli cha shimo jeusi kilichozungukwa na plazma inayong'aa karibu na upeo wa matukio. Chan alisaidia kutengeneza zana za uigaji na ukokotoaji ambazo timu ilitumia kutafsiri data za uchunguzi. Tangu wakati huo, Chan na wenzake wameendelea kuboresha vifaa vyao na uwezo wao wa uchunguzi huku timu ikihama kutoka picha tuli kuelekea video.

Kukabiliana na changamoto ya mwendo wa mzunguko

Mojawapo ya vikwazo vikubwa zaidi kwa Chan na timu yake ni kuiga plazma inayozunguka mashimo meusi. Plazma ni maada yenye joto kali sana inayoundwa na elektroni na ioni zenye chaji ya umeme.

Katika uigaji mwingi, wanasayansi hurahisisha plazma kwa kuichukulia kama kiowevu, wakitumia milinganyo inayojulikana vizuri kuiga mwendo wake kuzunguka shimo jeusi. Njia hiyo hufanya kazi vizuri kiasi katika plazma yenye msongamano mkubwa zaidi, ambamo elektroni na ioni hugongana kila mara. 

Lakini karibu na mashimo meusi yenye masi kubwa kupita kiasi ambayo Chan na wenzake wanachunguza, baadhi ya maeneo huwa na joto kali na msongamano mdogo sana kiasi kwamba chembe hukutana kwa nadra. “Kwa kweli hazigongani,” alisema. Badala yake, chembe hizo hasa husonga kwa kuzunguka mistari ya uga wa sumaku. 

Ili kuiga tabia hiyo kwa usahihi, watafiti wanahitaji kufuatilia matrilioni ya elektroni na ioni zinaposonga kwa kasi katika mikondo ya mzunguko kama koili kuzunguka shimo jeusi. Uigaji wa kawaida lazima ukokotoe kila mzunguko mdogo, na hivyo kulazimisha kompyuta kutumia vipindi vifupi mno vya muda katika ukokotoaji.

Kwa hiyo, hata kompyuta zenye kasi kubwa zaidi duniani zinaweza kutumia muda wake mwingi kukokotoa miendo hii midogo mno ya chembe badala ya kuiga tabia ya mfumo mzima ambayo wanasayansi wanataka kuchunguza.

“Kwa miongo kadhaa, hali hii imezuia uwezo wetu wa kuiga plazma ya shimo jeusi kwa uhalisia,” alisema Chan.

Kutumia AI kuunda nakala bora zaidi ya kidijitali

Chan alihisi kwamba mbinu mpya za kihisabati zingeweza kusaidia kukwepa baadhi ya vikwazo hivi. Wazo kuu lilikuwa kubadilisha, kwa njia ya kihisabati, jinsi uigaji ulivyofuatilia mwendo wa chembe ili kompyuta isihitaji tena kufuatilia kila mzunguko mdogo moja kwa moja.

“Lakini kuchunguza uwezekano wote wa kihisabati kwa kufanya hesabu mwenyewe kungechukua muda mwingi sana,” alisema Chan. Kwa hiyo, alitumia Codex kumsaidia kuunda algoriti zinazoweza kufaa na kuzijaribu kwa kuzilinganisha na masuluhisho yanayojulikana.

Codex ilitengeneza mbinu nyingi zilizoweza kufaa—lakini si zote zilizokuwa sahihi. “Lakini hilo si tatizo,” alisema Chan. “Mawazo mengi ya kisayansi hayafaulu. Kilicho muhimu ni kwamba algoriti hizi zinaweza kujaribiwa. Ukipata moja inayofanya kazi, inaweza kuwezesha uigaji ambao hapo awali haukuwezekana.” 

Baadhi ya mifumo ya AI inaweza kutoa matokeo bila kuonyesha hatua iliyotumia kufikia hitimisho. Lakini kikundi cha Chan hutumia Codex kupendekeza na kutekeleza mbinu za ukokotoaji ambazo wanaweza kukagua, kujaribu na kuelewa kwa mtazamo wa fizikia.

Miundo mikubwa ya lugha bado hufanya makosa, na wanasayansi wengi wanaendelea kuwa waangalifu kuhusu kutumia AI katika utafiti. Lakini Chan anaamini sayansi inaweza kuwa mojawapo ya matumizi bora zaidi ya mifumo ya sasa ya AI, hasa kwa sababu mawazo ya kisayansi yanaweza kupimwa kwa ukali.

“Hatukubali wazo kwa sababu limetoka kwa Einstein, kwa mwanafunzi mwenye akili nyingi, au kwa muundo wa AI,” alisema. “Tunalikubali tu baada ya kulipima mara kwa mara.”

Chan anaiona AI kama zana inayoweza kusaidia watafiti kuchunguza mawazo mengi zaidi, kuyajaribu haraka zaidi na kuharakisha ugunduzi, huku wakiendelea kuzingatia uthibitishaji na uwezo wa kurudia majaribio na kupata matokeo yale yale.

Mbinu ambazo Chan anajaribu kwa kutumia Codex zikifaulu, algoriti mpya zinaweza hatimaye kuruhusu wanasayansi kuiga matrilioni ya chembe zinazozunguka mashimo meusi. Hilo lingewezesha watafiti kuchunguza hali za kifizikia ambazo wameshindwa kuzichunguza kwa miongo kadhaa.