కృష్ణబిలాల అనుకరణకు ఓ ఖగోళ భౌతిక శాస్త్రవేత్త Codex ఎలా వాడుతున్నారు

కృష్ణబిలం చుట్టూ గురుత్వాకర్షణ ఎంత తీవ్రంగా ఉంటుందంటే, దానికి తగినంత దగ్గరగా వెళ్లిన ఏదీ తప్పించుకోలేదు. కాంతి కూడా బయటపడలేదు. చి-క్వాన్ చాన్ వంటి ఖగోళ భౌతిక శాస్త్రవేత్తలు కంప్యూటర్ అనుకరణలు, పరిశీలనల ద్వారా కృష్ణబిలాలను అధ్యయనం చేస్తారు. అయితే, ప్రస్తుత అల్గోరిథమ్‌లు, గణన సామర్థ్యం వల్ల ఆ అనుకరణలు వాస్తవికతను ప్రతిబింబించడంలో పరిమితులున్నాయి.

అరిజోనా విశ్వవిద్యాలయం, స్టీవర్డ్ అబ్జర్వేటరీలో పరిశోధకుడైన చాన్, Codex సాయంతో ఈ సమస్యను పరిష్కరించే ప్రయత్నం చేస్తున్నారు.

ఐన్‌స్టీన్ సాధారణ సాపేక్ష సిద్ధాంతాన్ని పరీక్షించడానికి కృష్ణబిలాలు అత్యుత్తమ ప్రదేశాల్లో ఒకటని ఆయన అన్నారు. గురుత్వాకర్షణకు ప్రస్తుతం మనకున్న ఉత్తమ వివరణ ఈ సిద్ధాంతమే. దీని ప్రకారం గురుత్వాకర్షణ అనేది వస్తువులను ఒకదానివైపు మరొకటి లాగే బలం కాదు. ద్రవ్యరాశి, శక్తి వల్ల స్థలకాలం వంగడం ద్వారా అది ఏర్పడుతుంది.

2019లో కృష్ణబిలం తొలి చిత్రాన్ని ప్రచురించిన అంతర్జాతీయ ఈవెంట్ హారైజన్ టెలిస్కోప్ (ఈహెచ్‌టీ) ఉమ్మడి పరిశోధన బృందంలో చాన్ సభ్యుడు. అత్యధిక ద్రవ్యరాశి గల కృష్ణబిలం తొలి వీడియోను రూపొందించేందుకు ఆ బృందం ప్రస్తుతం పరిశీలనా సమాచారాన్ని సేకరిస్తోంది. ఎం87 గెలాక్సీ మధ్యలోని కృష్ణబిలంపై దృష్టి పెట్టింది. 

అయితే, పరిశీలనల నుంచి శాస్త్రీయ అవగాహన పొందాలంటే అపారమైన దత్తాంశాన్ని విశ్లేషించాలి. భారీ స్థాయి గణన ప్రక్రియలతో పాటు విశ్వంలోని అత్యంత తీవ్రమైన భౌతిక పరిస్థితులను ప్రతిబింబించే అనుకరణలు అవసరం.

కృష్ణబిలం నుంచి కాంతి తప్పించుకోలేదు కాబట్టి, శాస్త్రవేత్తలు దాని చుట్టూ ఉన్న ఘటన క్షితిజం అనే ప్రాంతాన్ని అధ్యయనం చేస్తారు. ఈ సరిహద్దును దాటిన పదార్థం ఇక బయటపడలేదు. “అది దాటితే తిరిగిరాలేని ఉపరితలం,” అని చాన్ అన్నారు. ఈ సరిహద్దుకు వెలుపల అతి సమీపంలో తిరిగే పదార్థం కాంతిని వెలువరిస్తుంది. ఖగోళ భౌతిక శాస్త్రవేత్తలు ఆ కాంతిని చూడగలరు, కొలవగలరు, అనుకరించగలరు. 

ఈహెచ్‌టీ 2019లో విడుదల చేసిన చిత్రంలో, ఘటన క్షితిజం సమీపాన ప్రకాశించే ప్లాస్మా మధ్య కృష్ణబిలం నీడ కనిపించింది. ఆ పరిశీలనలను అర్థం చేసుకోవడానికి బృందం ఉపయోగించిన అనుకరణ, గణన సాధనాల అభివృద్ధిలో చాన్ తోడ్పడ్డారు. అప్పటి నుంచి బృందం స్థిర చిత్రాల నుంచి వీడియోల వైపు అడుగులు వేస్తుండగా, చాన్, ఆయన సహచరులు తమ పరికరాలను, పరిశీలనా సామర్థ్యాలను మెరుగుపరుస్తూనే ఉన్నారు.

సుడులు తిరిగే కణాలతో తలెత్తే సమస్యకు పరిష్కారం

కృష్ణబిలాల చుట్టూ ఉన్న ప్లాస్మాను అనుకరించడం చాన్ బృందానికి ఎదురవుతున్న అతిపెద్ద అడ్డంకుల్లో ఒకటి. ప్లాస్మా అనేది విద్యుదావేశం గల ఎలక్ట్రాన్లు, అయాన్లతో కూడిన అత్యంత వేడి పదార్థం.

చాలా అనుకరణల్లో శాస్త్రవేత్తలు ప్లాస్మాను ఒక ప్రవాహిగా పరిగణించి గణనలను సరళీకరిస్తారు. కృష్ణబిలం చుట్టూ దాని కదలికను అనుకరించడానికి సుపరిచిత సమీకరణాలను వాడతారు. ఎలక్ట్రాన్లు, అయాన్లు నిరంతరం పరస్పరం ఢీకొనే అధిక సాంద్రత గల ప్లాస్మాలో ఈ పద్ధతి చాలావరకు బాగానే పనిచేస్తుంది. 

కానీ చాన్, ఆయన సహచరులు అధ్యయనం చేస్తున్న అత్యధిక ద్రవ్యరాశి గల కృష్ణబిలాల సమీపంలోని కొన్ని ప్రాంతాలు చాలా వేడిగా, పలుచగా ఉంటాయి. అక్కడ కణాలు ఒకదానికొకటి ఎదురుపడటం చాలా అరుదు. “అవి ఒకదానితో మరొకటి ఢీకొనడం దాదాపు జరగదు,” అని ఆయన అన్నారు. బదులుగా, ఆ కణాలు ఎక్కువగా అయస్కాంత క్షేత్ర రేఖల చుట్టూ సుడులు తిరుగుతాయి. 

ఆ ప్రవర్తనను సరిగ్గా అనుకరించాలంటే, కృష్ణబిలం చుట్టూ వేగంగా సుడులు తిరిగే లక్షల కోట్ల ఎలక్ట్రాన్లు, అయాన్ల కదలికలను పరిశోధకులు అనుసరించాలి. సాధారణ అనుకరణల్లో ప్రతి చిన్న మలుపునూ లెక్కించాలి. ఇందుకోసం కంప్యూటర్లు కాలాన్ని అతి సూక్ష్మ అంతరాలుగా విభజించి గణనలు చేయాల్సి వస్తుంది.

ఫలితంగా, ప్రపంచంలోనే అత్యంత వేగవంతమైన సూపర్‌కంప్యూటర్లు కూడా ఈ సూక్ష్మ కణ కదలికలను లెక్కించడానికే ఎక్కువ సమయం వెచ్చించవచ్చు. శాస్త్రవేత్తలు నిజంగా అధ్యయనం చేయాలనుకునే విస్తృత స్థాయి ప్రవర్తనను అనుకరించడం వెనుకబడుతుంది.

“కృష్ణబిలం చుట్టూ ప్లాస్మాను మనం ఎంత వాస్తవికంగా అనుకరించగలమన్న దానిపై దశాబ్దాలుగా ఈ సమస్య పరిమితులు విధిస్తోంది,” అని చాన్ అన్నారు.

మెరుగైన డిజిటల్ ప్రతిరూపం కోసం కృత్రిమ మేధ

కొత్త గణిత పద్ధతులు ఈ పరిమితుల్లో కొన్నింటిని అధిగమించేందుకు తోడ్పడవచ్చని చాన్ భావించారు. అనుకరణలో కణ కదలికలను అనుసరించే విధానాన్ని గణితపరంగా మార్చాలన్నదే మౌలిక ఆలోచన. అప్పుడు కంప్యూటర్ ప్రతి చిన్న సుడినీ నేరుగా అనుసరించాల్సిన అవసరం ఉండదు.

“కానీ సాధ్యమయ్యే గణిత పద్ధతులన్నింటినీ స్వయంగా లెక్కలు వేస్తూ అన్వేషించాలంటే అపారమైన సమయం పట్టేది,” అని చాన్ అన్నారు. అందుకే సాధ్యమైన అల్గోరిథమ్‌లను రాబట్టి, తెలిసిన పరిష్కారాలతో వాటిని పోల్చి పరీక్షించేందుకు ఆయన Codex సాయం తీసుకున్నారు.

Codex అనేక సంభావ్య పద్ధతులను రూపొందించింది. అయితే అవన్నీ సరైనవి కావు. “కానీ దానివల్ల ఇబ్బందేమీ లేదు,” అని చాన్ అన్నారు. “చాలా శాస్త్రీయ ఆలోచనలు విఫలమవుతాయి. ఈ అల్గోరిథమ్‌లను పరీక్షించగలగడమే ముఖ్యం. పనిచేసేది ఒక్కటి దొరికినా, గతంలో అసాధ్యమైన అనుకరణలకు అది మార్గం తెరవవచ్చు.” 

కొన్ని కృత్రిమ మేధ వ్యవస్థలు తమ నిర్ధారణలకు ఎలా వచ్చాయో దశలవారీగా చూపకుండానే ఫలితాలను ఇవ్వగలవు. కానీ చాన్ బృందం తాము పరిశీలించగల, పరీక్షించగల, భౌతికంగా అర్థం చేసుకోగల సంఖ్యా గణన పద్ధతులను ప్రతిపాదించి, అమలు చేయడానికి Codex ఉపయోగిస్తుంది.

పెద్ద భాషా మోడళ్లు ఇప్పటికీ తప్పులు చేస్తాయి. పరిశోధనలో కృత్రిమ మేధను వాడే విషయంలో చాలామంది శాస్త్రవేత్తలు ఇంకా ఆచితూచి వ్యవహరిస్తున్నారు. కానీ శాస్త్రీయ ఆలోచనలను కఠిన పరీక్షలకు లోనుచేయవచ్చు కాబట్టే, నేటి కృత్రిమ మేధ వ్యవస్థలకు శాస్త్ర పరిశోధన అత్యుత్తమ ఉపయోగాల్లో ఒకటి కావచ్చని చాన్ నమ్ముతున్నారు.

“ఐన్‌స్టీన్ చెప్పారనో, తెలివైన విద్యార్థి చెప్పారనో, కృత్రిమ మేధ మోడల్ ఇచ్చిందనో మేము ఒక ఆలోచనను అంగీకరించం,” అని ఆయన అన్నారు. “పదేపదే పరీక్షించిన తర్వాతే దాన్ని అంగీకరిస్తాం.”

ఫలితాలను ధృవీకరించడం, మళ్లీ అదే ఫలితాలు సాధించగలగడం అనే పునాదులపై నిలుస్తూనే, మరిన్ని ఆలోచనలను అన్వేషించడానికి, వేగంగా పరీక్షించడానికి, ఆవిష్కరణలను వేగవంతం చేయడానికి కృత్రిమ మేధ పరిశోధకులకు తోడ్పడగలదని చాన్ భావిస్తున్నారు.

Codex సాయంతో చాన్ పరీక్షిస్తున్న పద్ధతులు విజయవంతమైతే, ఈ కొత్త అల్గోరిథమ్‌లతో భవిష్యత్తులో కృష్ణబిలాల చుట్టూ లక్షల కోట్ల కణాలను శాస్త్రవేత్తలు అనుకరించగలగవచ్చు. దశాబ్దాలుగా అధ్యయనానికి అందని భౌతిక ప్రక్రియలను పరిశోధించడానికి అది వీలు కల్పిస్తుంది.