Tạo các mô phỏng mới về lỗ đen bằng Codex
Một nhà vật lý thiên văn tính toán đang khám phá rìa của vũ trụ đã biết khi nỗ lực dựng nên hình ảnh chuyển động đầu tiên của một lỗ đen.
“Những công cụ này đang thay đổi cách chúng ta làm khoa học theo một cách rất căn bản.”
Nghiên cứu rìa vũ trụ
Lỗ đen tồn tại ở rìa vũ trụ của chúng ta và là những thiên thể khó nghiên cứu đối với các nhà thiên văn học. Chúng không phát ra ánh sáng, không thể được chụp trực tiếp vì ở quá xa—bạn sẽ cần một kính thiên văn có kích thước bằng Trái Đất để nhìn thấy một lỗ đen—và vật lý chi phối chúng không phải lúc nào cũng khớp với hiểu biết hiện tại của chúng ta.
Không điều nào trong số này là mới đối với nhà vật lý thiên văn tính toán Chi-kwan “CK” Chan. CK, một giáo sư tại Đại học Arizona, đã nghiên cứu lỗ đen trong hơn 20 năm. Năm 2019, ông là thành viên của nhóm hợp tác Event Horizon Telescope đã tạo ra hình ảnh đầu tiên của một lỗ đen. Năm nay, với sự hỗ trợ từ Quỹ Khoa học Quốc gia(mở trong cửa sổ mới), họ đang theo đuổi một mục tiêu còn tham vọng hơn: tạo ra hình ảnh chuyển động đầu tiên của một lỗ đen.
CK thu thập dữ liệu từ kính thiên văn vô tuyến 12m của Đài quan sát Vô tuyến Arizona tại Đài thiên văn Quốc gia Kitt Peak.
“Lỗ đen ban đầu dựa trên lý thuyết. Vì vậy, thật vô cùng phấn khích khi chúng ta có thể quan sát được chúng.” —Chi-kwan “CK” Chan
Để hiểu điều gì còn thiếu, cần xây dựng các mô hình tốt hơn: những phép xấp xỉ toán học mô tả cách vật chất vận hành trong các điều kiện cực đoan. Nhưng những phương trình này cực kỳ phức tạp. Ngay cả những siêu máy tính lớn nhất cũng gặp khó khăn khi giải chúng, và việc phát triển các cách tiếp cận mới có thể mất nhiều năm làm việc. Vì vậy, CK đã tìm đến Codex để giúp tăng tốc quá trình này.
“Tôi sẽ mất mười ngày để nghĩ ra mười phép xấp xỉ mới. Với Codex, việc này có thể được thực hiện trong vài phút.”
CK viết ra một phép xấp xỉ để sinh viên của ông xem xét.
CK dẫn dắt một cuộc thảo luận nhóm cho sinh viên của mình tại Đại học Arizona.
Một phép xấp xỉ toán học viết tay của CK.
Công nghệ mới, cách tiếp cận mới
Vì lỗ đen tồn tại rất xa Trái Đất, cách duy nhất để nghiên cứu chúng là đo plasma rơi vào chúng. CK tạo các mô phỏng plasma rồi so sánh chúng với dữ liệu quan sát thu thập được tại các kính thiên văn. “Tuy nhiên, các mô phỏng vẫn còn thiếu sót,” CK nói. “Khi so sánh mô phỏng với quan sát, chúng tôi nhận ra rằng plasma quanh lỗ đen có mật độ rất thấp, nên không thể thực sự xấp xỉ plasma như một chất lưu.” Cách duy nhất để CK mô phỏng chúng chính xác là theo dõi từng electron và ion riêng lẻ. “Và đó đơn giản là một bài toán không thể xử lý bằng tính toán.”
CK dùng Codex để tìm các thuật toán số mới có thể giúp ông tạo ra các mô phỏng nhanh hơn, ổn định hơn bằng cách triển khai một kỹ năng tác nhân do ông viết. “Với Codex, giờ đây chúng tôi có thể tự động khám phá các phép biến đổi tọa độ và thuật toán mới có thể tăng tốc những phép tính này lên 1000 lần. Điều đó cho phép chúng tôi thực hiện những mô phỏng trước đây không thể làm được.”
CK vẫn phải triển khai và xác minh từng phép xấp xỉ mà Codex tạo ra, nhưng cách tiếp cận này đã tăng tốc quy trình làm việc của ông và cho phép ông dành nhiều thời gian hơn cho nghiên cứu. (Tìm hiểu sâu hơn về khoa học đằng sau lỗ đen và công việc của CK.)
“Trong một thời gian rất dài, các nhà thiên văn học và nhà khoa học cần phải là những nhà phát triển xuất sắc để giải quyết các vấn đề của chúng tôi. AI cho phép chúng tôi tập trung trở lại vào các câu hỏi khoa học thay vì viết code.”
Kính thiên văn vô tuyến 12m Kitt Peak của Đài quan sát vô tuyến Arizona là một trong mười một đài quan sát thuộc mạng lưới Event Horizon Telescope.
Codex giúp CK rà soát mã khoa học và phát hiện lỗi trong thống kê cũng như các phương pháp số, giúp ông tạo ra kết quả đáng tin cậy hơn.
CK bên trong phòng điều khiển của kính thiên văn vô tuyến 12m thuộc Đài quan sát vô tuyến Arizona.
Tương lai của khám phá
CK và nhóm Event Horizon Telescope hiện đang thu thập dữ liệu về lỗ đen; họ hy vọng sẽ công bố hình ảnh chuyển động đầu tiên vào một thời điểm nào đó trong năm 2027. CK rất hào hứng về những điều ông có thể học được. “Nếu chúng tôi chụp thành công video đầu tiên này về một lỗ đen, nó sẽ mở ra một kỷ nguyên mới của vật lý thiên văn lỗ đen ở thang chân trời sự kiện và theo miền thời gian,” ông nói. “Nó sẽ cho phép chúng tôi nghiên cứu cách plasma vận hành trong một số môi trường khắc nghiệt nhất trong vũ trụ.”
“Nếu bạn tò mò về thế giới xung quanh, bạn sẽ cứ tiếp tục tìm kiếm những câu trả lời mới. Và đó là cách chúng ta học hỏi. Đó là cách chúng ta phát triển công nghệ, phát triển nền văn minh của mình.” —Chi-kwan “CK” Chan
CK cùng Ram, Nayera và Hayden, ba sinh viên của ông từ Đại học Arizona, những người cũng tham gia phân tích dữ liệu lỗ đen và tạo các mô phỏng mới.
“Tôi xuất thân từ một gia đình bình dân ở Hồng Kông. Vì vậy, tôi cảm thấy vô cùng may mắn khi có thể làm việc ở tuyến đầu của nghiên cứu lỗ đen.” —Chi-kwan “CK” Chan
“Con người là những nhà thám hiểm. Và thiên văn học là biên giới tối hậu trong hành trình khám phá của chúng ta. Vì vậy, đây là một cách để tri thức của con người vươn tới rìa vũ trụ.”