علوم متفرقةعلم البيانات
مقالة رائجة

كيتي بومان + بايثون = أول صورة للثقب الأسود في التاريخ !

كيف ساعدت لغة البرمجة بايثون في إلتقاط أول صورة للثقب الأسود في التاريخ .

بدافع الفضول وجدتني أتصفح تلك الورقة العلمية الذي أحدثت هذه الضجة التاريخية فكان ما اكتشفته مذهلاً .. لقد إكتشفت أن الخوارزمية التي قادت إلى هذا الإكتشاف العلمي المدهش قد كتبتها كيتي بومان وفريقها باستخدام لغة البرمجة بايثون بالكامل !

في هذا المقال سأتحدث عن الثقب الأسود وكيفية إلتقاط أول صورة له ، وسأتحدث عن الخوارزمية وعن الحزم البرمجية ومكتبات البايثون التي قادت إلى هذه اللحظة التاريخية .

الثقب الأسود ..

تخيل أن كميةً هائلةً من الطاقة والمادة ، تم ضغطها بقوة جبارة في زاوية صغيرة جداً لدرجة أن كثافة هذه المادة وصلت للحد الذي يختفي فيه الفراغ بين الجزيئات والذرات !
يمكنك أن تتخيل كيف ستكون كتلة جزء صغير من هذه المادة فقط إذا استطعت أن تتخيل حبة رمل بكتلة كوكب الأرض ! حبة رمل أينما ألقيتها سوف تسبب حفرة عميقة وجارفة وانحناءً كبيرا في النسيج المحيط بذلك المكان لدرجة أن كل جسم قريب منها سينزلق وينجذب داخل تلك الحفرة .

هذه هي الثقوب السوداء باختصار ، وقد تنبأ أينشتاين بوجودها سنة 1916 في نظريته النسبية العامة حين ادّعى وجود ثقوب مظلمة في الفضاء ذات جاذبية خارقة تبتلع كل ما يقترب منها . ومع مرور الزمن أثبت العلماء وجود هذه الثقوب ولكنهم لم يحصلوا على صورة حقيقية لهالة الضوء المحيطة بها حتى 2019 بفضل مشروع Event Horizon ، وقد تم تسجبل صورة الثقب الأسود كواحدة من أهم اكتشافات هذا القرن .

ثقب أسود
أول صورة حقيقة في التاريخ توضح هالة الضوء المحيطة بالثقب الأسود

لماذا تأخر العلماء في رصد الثقوب السوداء وتصويرها ؟

الجواب ببساطة هو أن الثقوب السوداء تجذب وتبتلع كل شيء يصادفها حتى الضوء ، لهذا تسمى تقوباً سوداء أصلاً ..

كيف تم تصويرها إذن ؟

هناك منطقة تحيط بالثقب الأسود تسمى أفق الحدث وهي منطقة تتجمع فيها الغازات والبلازما مشكّلةً هالة من الضوء ، العلماء حاولوا رصد وتصوير تلك الهالة المضيئة وفشلو أول الأمر لأن الثقب الأسود شاسع المساحة وكوكب الأرض صغير ، وبالتالي لا يوجد تيلسكوب كبير كفاية لإلتقاط هذه الصورة ناهيك عن حاجز الغبار الكوني الذي يحجب الرؤية .
كان الحل مشروع الرصد Event Horizon وهو عبارة عن ثمانية تلسكوبات ، تم تصميمها وتوزيعها في في مناطق متفرقة من العالم لتشكّل تلسكوباً راديويا افتراضياً واحداً في حجم كوكب الأرض ، غرضه الوحيد رصد الثقب الأسود وتسجيل كل ما يمكن تسجيله من البيانات عنه .

بفضل مشروع Event Horizon قام العلماء بتجميع مئات الملايين من الصور والبيانات ولكنهم لم يتوصلوا بعد إلى صورة واحدة واضحة للثقب الأسود ، فقد كانت كل صورة وكل معلومة تم رصدها أشبه بقطعة من أحجية (puzzele) بالغة التعقيد ، حتى جاءت الفتاة التي ستحل هذا اللغز وتخرج للعالم أول صورة للثقب الأسود  .

كيتي بومان الفتاة التي حلت اللغز !

كيتي بومان Katie Bouman خرّيجة معهد إم آي تي (MIT) ومبرمجة الحاسب التي تبلغ من العمر 29 عاما ، هذه الفتاة لم تكن تدرس الفيزياء أو الفلك ، ولم تكن معلوماتها عن الثقب الأسود بأكثر من معلوماتك عنه عزيزي القارئ ، فهي حسب اعترافها لمجلة التايمز لم تكن تعرف شيءً عن الثقوب السوداء قبل التحاقها بالمشروع ، ولكن شغفها بعلم البيانات ونبوغها في البرمجة سيؤهلها لفهم المعضلة وابتكار الحل الخوارزمي لها وتحويل كومة عديمة الجدوى من البيانات إلى أول صورة للثقب الأسود في التاريخ .

قبل سنوات وفي عام 2016 تحديدا طورت بومان خوارزمية CHIRP وهي حل جبري يعتمد بالأساس على مبرهنة بايز لاستخراج البيانات من الإشارات الراديوية التي تلتقطها التلسكوبات الفلكية . وهذه الخوارزمية تحديداً هي السبب في شهرة كيتي بومان ونسبة هذا الفتح العلمي إليها .

كيف ساعدت لغة البرمجة بايثون في تصوير الثقب الأسود ؟

بعد الإطلاع على الورقة العلمية لـ Event Horizon عثرت على حزمة البايثون الذي تم إستخدامها لبناء صورة الثقب الأسود وهي تحت إسم eht-imaging ، مشروع مفتوح لمصدر ويندرج تحت رخصة GPLv3 .

 

تحتوي حزمة eht-imaging على مجموعة من النماذج التي تتلخص وظائفها في :

  •  قراءة وتحميل بيانات الـ VLBI ومصفوفات الـ UVFITS بكفاءة عالية ( نوعين من البيانات الضخمة التي تستخدم في حفظ الإشارات الراديوية الفلكية) .
  •  تطبيق خوارزمية CHIRP على البيانات .
  •  عمل محاكاة (simulation) وتلاعب (manipulation) بالبيانات لتجربة الإحتمالات الممكنة .
  •  تحليل الإشارات وإستخراج الأنماط من سلاسل البيانات .
  •  حياكة وتجميع الصور وعرض البيانات والنتائج الإحصائية .

مكتبات البايثون التي تم بناء مشروع eht-imaging عليها :

 

 مكتبات الجبر الخطي والحوسبة العلمية الأساسية :

  • Numpy (van der Walt et al . 2011) .
  • Scipy (Jones et al. 2001) .

مكتبات الحوسبة الفلكية :

  • Astropy (The Astropy Collaboration et al. 2013, 2018).
  • pyephem (Brandon Rhodes .1998 ).

 

 مكتبات قراءة ومعالجة الملفات :

 

مكتبات الرسوم البيانية :

لتحميل المشروع: eht-imaging .

للإطلاع على الورقة العلمية : iopscience .

كلمات أخيرة ..

مشروع Event Horizon قد تطلب تنفيذه 5 بيتابايت من البيانات (1 بيتابايت يعادل 1024 تيرابايت)، هذا الكم الضخم من البيانات تم إرساله عبر الطائرات لأن خطوط الأنترنت لم تستوعبه ! فهل يأتي بعد هذا من يخبرك أن لغة بايثون لغة ضعيفة وبطيئة ؟!

كيتي بومان لم تكن في يوم من الأيام خبيرة فلك أو فيزياء ، هذه الآنسة تتلخص أعظم مساهماتها في تطوير خوارزمية بسيطة تدعى خوارزمية CHIRP . هذه المساهمة البسيطة نسبت إليها الفضل في تصوير الثقب الأسود بعد مرور سنوات من تطويرها .


مراجعة وتصحيح :

Hicham Ait Mansour

Hicham Ait Mansour
Mohammed V University of Rabat | um5a · Department of Physics
PhD

researchgate

 

الوسوم

محمد هشوم

مبرمج عربي ، مهتم بالذكاء الصنعي وخبير بيانات .. ومدون !

‫2 تعليقات

  1. مقال رائع
    ملاحظه: هناك خطأ فب الفقره الاخيره، حيث انك كتبت بالخطأ ١ تيرا بايت يساوي ١٠٢٤ تيرا بايت والمفروض ان تكون جيجابايت

    1. مرحبا أحمد ، لقد كتبت (1 بيتابايت يعادل 1024 تيرابايت) ، البيتابايت وحدة لقياس البيانات وتأتي بعد التيرابايت .

      أشكر لك نيتك ورغبتك في التصحيح ^_^

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *

زر الذهاب إلى الأعلى
إغلاق
إغلاق