Створення нових симуляцій чорних дір із Codex
Астрофізик, що працює з обчисленнями, досліджує межі відомого нам всесвіту, працюючи над створенням першого рухомого зображення чорної діри.
«Ці інструменти змінюють те, як ми займаємося наукою, на дуже фундаментальному рівні».
Вивчення межі всесвіту
Чорні діри існують на межі нашого всесвіту й належать до небесних об’єктів, які астрономам складно вивчати. Вони не випромінюють світла, їх неможливо зафіксувати напряму, бо вони надто далеко — щоб побачити одну, знадобився б телескоп розміром із Землю, — а фізика, що ними керує, не завжди узгоджується з нашим нинішнім розумінням.
Усе це не новина для обчислювального астрофізика Чі-кван «CK» Чана. Чі-кван, професор Університету Аризони, вивчає чорні діри вже понад 20 років. У 2019 році він був учасником колаборації Event Horizon Telescope, яка отримала перше зображення чорної діри. Цього року за підтримки Національного наукового фонду(відкривається у новому вікні) вони прагнуть досягти ще амбітнішої мети: створити перше рухоме зображення чорної діри.
Чі-кван збирає дані з 12-метрового радіотелескопа Arizona Radio Observatory у Національній обсерваторії Кітт-Пік.
«Спочатку чорні діри ґрунтувалися на теорії. Тож надзвичайно захопливо, що ми можемо їх спостерігати». —Чі-кван «CK» Чан
Щоб зрозуміти, чого бракує, потрібно будувати кращі моделі: математичні наближення, які описують поведінку матерії в екстремальних умовах. Але ці рівняння неймовірно складні. Навіть найбільшим суперкомп’ютерам важко їх розв’язувати, а розробка нових підходів може потребувати років роботи. Тож Чі-кван звернувся до Codex, щоб пришвидшити цей процес.
«Мені знадобилося б десять днів, щоб придумати десять нових наближень. З Codex це можна зробити за лічені хвилини».
Чі-кван записує наближення, щоб його студенти могли його переглянути.
Чі-кван веде групове обговорення для своїх студентів в Університеті Аризони.
Рукописне математичне наближення від Чі-квана.
Нові технології, нові підходи
Оскільки чорні діри існують дуже далеко від Землі, єдиний спосіб їх вивчати — вимірювати плазму, що падає в них. Чі-кван створює симуляції плазми, а потім порівнює їх зі спостережними даними, зібраними телескопами. «Однак симуляції мають недоліки», — каже Чі-кван. «Коли ми порівнюємо симуляцію зі спостереженням, то розуміємо, що плазма навколо чорних дір має дуже низьку густину, тож насправді не можемо наближено описувати плазму як рідину». Єдиний спосіб, у який Чі-кван може правильно їх симулювати, — відстежувати окремі електрони та іони. «А це просто обчислювально нерозв’язна задача».
Чі-кван використовує Codex, щоб знаходити нові чисельні алгоритми, які допомагають створювати швидші й стабільніші симуляції завдяки впровадженій ним навичці агента. «З Codex ми тепер можемо автоматично відкривати нові перетворення координат і алгоритми, здатні прискорити ці обчислення у 1000 разів. Це дає нам змогу виконувати симуляції, які раніше були неможливими».
Чі-кван усе ще має реалізовувати й перевіряти кожне наближення, яке створює Codex, але цей підхід пришвидшив його робочий процес і дає йому змогу більше часу зосереджувати на дослідженні. (Дізнайтеся більше про науку, що стоїть за чорними дірами та роботою Чі-квана.)
«Дуже довго астрономам і науковцям потрібно було бути чудовими розробниками, щоб розв’язувати наші проблеми. ШІ дає нам змогу знову зосередитися на наукових питаннях, а не на програмуванні».
12-метровий радіотелескоп Kitt Peak Arizona Radio Observatory — одна з одинадцяти обсерваторій у мережі Event Horizon Telescope.
Codex допомагає Чі-квану перевіряти науковий код і знаходити помилки в статистиці та чисельних методах, допомагаючи отримувати надійніші результати.
Чі-кван у контрольній кімнаті 12-метрового радіотелескопа Arizona Radio Observatory.
Майбутнє відкриттів
Чі-кван і команда Event Horizon Telescope зараз збирають дані про чорні діри; вони сподіваються оприлюднити перше рухоме зображення десь у 2027 році. Чі-кван із захопленням чекає, що зможе дізнатися. «Якщо нам вдасться зафіксувати це перше відео чорної діри, воно відкриє нову еру астрофізики чорних дір у часовій області та масштабі горизонту», — каже він. «Це дасть нам змогу вивчати, як поводиться плазма в одних із найекстремальніших середовищ у всесвіті».
«Якщо вам цікавий світ навколо, ви просто продовжуватимете шукати нові відповіді. І саме так ми вчимося. Саме так ми розвиваємо наші технології, розвиваємо нашу цивілізацію». —Чі-кван «CK» Чан
Чі-кван із Рам, Наєрою та Гейден — трьома його студентами з Університету Аризони, які також працюють над аналізом даних про чорні діри та створенням нових симуляцій.
«Я з простої родини в Гонконзі. Тому я почуваюся неймовірно щасливим, що можу працювати з передовими дослідженнями чорних дір». —Чі-кван «CK» Чан
«Люди — дослідники. А астрономія — наша найвіддаленіша межа досліджень. Тож це один зі способів, у який людське знання може сягнути краю всесвіту».