天体物理学者が Codex を用いてブラックホールのシミュレーションを支援する方法
OpenAI は、天体物理学者が開発した AI ツール「Codex」を活用してブラックホールのシミュレーションを支援する事例を紹介し、専門分野におけるコード生成ツールの実用性を示した。
キーポイント
専門家のツール活用事例
天体物理学者が開発した独自ツール「Codex」が、OpenAI のプラットフォーム上でブラックホールシミュレーションの効率化に貢献している具体的な事例が紹介されている。
科学分野への AI 応用
大規模言語モデルやコード生成 AI が、単なるプログラミング支援を超え、複雑な物理現象の解析やシミュレーションといった高度な科学研究領域で実証されつつある。
学術研究と技術の融合
OpenAI のニュースとしてこの事例を掲載することで、AI 技術が基礎科学(天体物理学)の進展にどのように寄与できるかを一般層や研究者へ伝えている。
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影響分析
この記事は、AI が一般事務作業だけでなく、高度な専門知識を要する科学研究領域でも実用的なツールとして機能し始めていることを示唆しています。特に OpenAI が自社のニュースでこの事例を取り上げたことは、同社が科学分野への AI 応用を積極的に推進・支援している姿勢を示すものであり、学術界と技術業界の連携強化に寄与する可能性があります。
編集コメント
科学分野における AI の活用事例として、具体的な研究ツールとの連携事例が紹介されており、技術の汎用性を示す良いケーススタディです。ただし、詳細な技術的メカニズムや数値的な成果については本記事では言及されていないため、専門的な深みは限定的です。
ブラックホールの周囲の重力はあまりにも極端であり、一度十分に近づけば、光さえも脱出することはできません。チー・クワン・チャンのような天体物理学者は、コンピュータシミュレーションと観測を用いてブラックホールを研究しています。しかし、現在のアルゴリズムや計算能力は、これらのシミュレーションがどれほど現実的になり得るかを制限しています。
Codex を用いることで、アリゾナ大学およびスチュワード天文台の研究者であるチャンはこの問題に取り組んでいます。
彼は、ブラックホールがアインシュタインの一般相対性理論(general theory of relativity)を検証するための最良の場所の一つであると述べています。この理論は現在、重力に対する私たちの最良の説明です:物体を引き寄せる力としてではなく、質量とエネルギーが時空の構造を歪める結果として重力が生じると説明しています。
チャンは、2019 年にブラックホールの最初の画像を発表した国際的なイベント・ホライズン・テレスコープ(Event Horizon Telescope: EHT)コラボレーションの一員です。このチームは現在、M87 銀河の中心にある超大質量ブラックホールに焦点を当てて観測データを収集し、その初の動画作成に取り組んでいます。
しかし、観測から科学的理解へと転換するには、膨大な量のデータ処理、大規模な計算ワークフロー、そして宇宙で最も極端な物理現象の一部をモデル化できるシミュレーションが必要です。
光がブラックホールから逃げられないため、科学者たちはその周囲にある事象の地平面と呼ばれる領域を研究しています。これは物質が脱出できない境界線です。「それは二度と戻れない表面です」とチャンは言います。この境界線のすぐ外側で渦巻く物質は光を発しており、天体物理学者はそれを観測し、測定し、シミュレーションすることができます。
EHT が 2019 年に公開した画像には、事象の地平面付近の輝くプラズマの中に埋め込まれたブラックホールの影が映っていました。チャンはこのチームが観測結果を解釈するために使用したシミュレーションおよび計算ツールの開発に貢献しました。それ以来、チームは静止画から動画へと移行する中で、チャンと彼の同僚たちは引き続き機器や観測能力の向上に取り組んでいます。
銀河系中心部のブラックホール周囲のプラズマの動きを示すスーパーコンピュータによるシミュレーションで生成された短いビデオ。
クレジット: EHT Theory Working Group / CK Chan
渦を巻く問題への対応
チャンと彼のチームにとって最大の障壁の一つは、ブラックホールの周囲のプラズマをモデル化することです。プラズマは電気的に帯電した電子とイオンから構成される超高温の物質です。
多くのシミュレーションでは、科学者たちはプラズマを流体のように扱い、よく知られた方程式を用いてブラックホール周囲でのその動きをモデル化しています。これは電子とイオンが互いに絶えず衝突する高密度のプラズマにおいては、比較的うまく機能します。
しかし、チャン氏と彼の同僚たちが研究している超大質量ブラックホールの近くでは、一部の領域はあまりにも高温かつ希薄になり、粒子が互いに遭遇することはほとんどなくなります。「実際には、それらは互いに衝突しません」と彼は言います。代わりに、粒子は主に磁場線に沿って螺旋を描きます。
この振る舞いを正しくモデル化するためには、研究者たちはブラックホールの周りを急速にコルクスクリュー状に回転する兆兆個の電子とイオンを追跡する必要があります。標準的なシミュレーションでは、すべての微小な回転を計算する必要があり、コンピュータは極めて小さな時間ステップをとらなければなりません。
その結果、世界で最も高速なスーパーコンピュータでも、時間の大部分をこれらの微細な粒子運動の計算に費やし、実際には科学者が研究したいより大きな振る舞いのシミュレーションを行えないことになります。
「何十年もの間、これがブラックホールプラズマをどれほど現実的にシミュレートできるかを制限してきました」とチャン氏は言います。
AI を用いてより優れたデジタルツインを構築する
チャン氏は、新しい数学的手法がこれらのいくつかの制限を回避するのに役立つ可能性があると推測していました。基本的な考え方は、コンピュータがすべての微小な螺旋を直接追跡する必要がなくなるように、シミュレーションが粒子運動を追跡する方法を数学的に変更することです。
「しかし、手作業ですべての数学的な可能性を探求するには膨大な時間がかかっただろう」とチャン氏は言います。そこで彼は、候補となるアルゴリズムの導出と既知の解との比較テストを支援するために Codex を活用しました。
Codex は多くの潜在的なアプローチを生成しましたが、すべてが正しいわけではありません。"それでも構いません」とチャンは言います。「科学のアイデアのほとんどは失敗します。重要なのは、これらのアルゴリズムが検証可能であることです。一つでも機能するものが見つかれば、以前は不可能だったシミュレーションの可能性が開かれるかもしれません。
一部の AI システムは、結論に至るまでの手順を示さずに結果を返すことがあります。しかし、チャンのグループは Codex を用いて、物理的に検査・テスト・理解できる数値スキームを提案し実装しています。
大規模言語モデルはまだ誤りを犯すことがあり、多くの科学者は研究における AI の利用に慎重な姿勢を保っています。しかし、チャンは科学こそが今日の AI システムにとって最も優れた用途の一つであると考えています。その理由はまさに、科学のアイデアが厳密に検証可能だからです。
"私たちは、それがアインシュタインから来たものでも、優秀な学生のものでも、AI モデルからのものでも、それだけで受け入れません」と彼は言います。「反復的なテストを経て初めて受け入れるのです。」
チャンは AI を、研究者がより多くのアイデアを探求し、より迅速に検証し、発見を加速させるためのツールとして捉えています。ただし、その基盤には常に検証可能性と再現性が保たれています。
もしチャンが Codex で検証しているアプローチが成功すれば、新しいアルゴリズムによって最終的に科学者がブラックホールの周囲で数兆個の粒子をシミュレーションできるようになる可能性があります。これにより、数十年にわたり手が届かなかった物理学の研究が可能になります。
原文を表示
The gravity around a black hole is so extreme that nothing, not even light, can escape once it gets close enough. Astrophysicists like Chi-kwan Chan study black holes with computer simulations and observations. But current algorithms and computing power limit how realistic those simulations can be.
With Codex, Chan—a researcher at the University of Arizona and Steward Observatory—is tackling this problem.
Black holes are among the best places to test Einstein’s general theory of relativity, he said. The theory is currently our best explanation of gravity: instead of a force pulling objects together, gravity is the result of mass and energy bending the fabric of space and time.
Chan is part of the international Event Horizon Telescope (EHT) collaboration, which published the first image of a black hole in 2019. The team is currently gathering observations to produce the first video of a supermassive black hole, focusing on the one at the center of the M87 galaxy.
But turning observations into scientific understanding requires enormous amounts of data processing, large-scale computing workflows, and simulations capable of modeling some of the most extreme physics in the universe.
Since light can’t escape a black hole, scientists instead study the region around it called the event horizon, a boundary beyond which matter can’t escape. “It’s a surface of no return,” said Chan. Matter swirling just outside this boundary emits light that astrophysicists can see, measure, and simulate.
The 2019 image released by the EHT showed a black hole’s shadow embedded in glowing plasma near the event horizon. Chan helped develop the simulation and computing tools the team used to interpret the observations. Since then, Chan and his colleagues have continued improving their instruments and observing capabilities as the team moves from still images toward videos.
A short video generated by a supercomputer simulation showing the movement of plasma around the black hole at the center of the Milky Way galaxy.
Credit: EHT Theory Working Group / CK Chan
Addressing a spiraling problem
One of the biggest roadblocks for Chan and his team is modeling the plasma around black holes. Plasma is superheated matter made up of electrically charged electrons and ions.
In many simulations, scientists simplify plasma by treating it like a fluid, using well-known equations to model its movement around a black hole. That works reasonably well in denser plasma where the electrons and ions constantly collide with each other.
But near the supermassive black holes that Chan and his colleagues are studying, some regions become so hot and diffuse that particles rarely encounter each other. “They don’t really collide with each other,” he said. Instead, the particles mostly spiral around magnetic field lines.
To model that behavior correctly, researchers need to follow trillions of electrons and ions as they rapidly corkscrew around a black hole. Standard simulations must calculate every tiny turn, forcing computers to take extremely small timesteps.
As a result, even the world’s fastest supercomputers can spend most of their time calculating these minuscule particle motions instead of simulating the larger behavior scientists actually want to study.
“For decades, this has limited how realistically we can simulate black hole plasma,” Chan said.
Using AI to build a better digital twin
Chan suspected that new mathematical techniques could help work around some of these limitations. The basic idea was to change, mathematically, how the simulation tracked particle motion so the computer no longer had to follow every tiny spiral directly.
“But exploring all the mathematical possibilities by hand would have taken an enormous amount of time,” Chan said. So he turned to Codex to help derive candidate algorithms and test them against known solutions.
Codex generated many potential approaches—not all of them correct. “But that’s okay,” Chan said. “Most scientific ideas fail. What matters is that these algorithms are testable. Once you find one that works, it can potentially unlock simulations that were previously impossible.”
Some AI systems can return results without showing the steps they used to produce their conclusions. But Chan’s group uses Codex to propose and implement numerical schemes that they can inspect, test, and understand physically.
Large language models still make mistakes, and many scientists remain cautious about using AI in research. But Chan believes science may be one of the best uses for today’s AI systems precisely because scientific ideas can be tested rigorously.
“We don’t accept an idea because it came from Einstein, from a bright student, or from an AI model,” he said. “We accept it only after repeated testing.”
Chan sees AI as a tool that can help researchers explore more ideas, test them faster, and accelerate discovery while remaining grounded in verification and reproducibility.
If the approaches that Chan is testing with Codex succeed, the new algorithms could eventually allow scientists to simulate trillions of particles around black holes. That would enable researchers to study physics that has remained out of reach for decades.
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