_ AI și fizica se combină pentru a dezvălui 3D structura unei erupții care erupe în jurul unei găuri negre

Oamenii de știință cred că mediul care înconjoară imediat o gaură neagră este tumultuos, prezentând gaz magnetizat fierbinte care se învârte într-un disc la viteze și temperaturi extraordinare. Observațiile astronomice arată că în interiorul unui astfel de disc apar erupții misterioase de mai multe ori pe zi, luminându-se temporar și apoi dispărând.

Acum, o echipă condusă de oamenii de știință de la Caltech a folosit datele telescopului și o inteligență artificială (AI). ) tehnică de vizualizare pe computer pentru a recupera primul videoclip tridimensional care arată cum ar putea arăta astfel de erupții în jurul Săgetător A* (Sgr A*), gaura neagră supermasivă din inima propriei noastre galaxii Calea Lactee.

Structura fulgerului 3D prezintă două caracteristici luminoase și compacte situate la aproximativ 75 de milioane de kilometri (sau jumătate din distanța dintre Pământ și Soare) de centrul găurii negre. Se bazează pe datele colectate de Atacama Large Millimeter Array (ALMA) din Chile pe o perioadă de 100 de minute direct după o erupție observată în datele cu raze X pe 11 aprilie 2017.

„Acesta este prima reconstrucție tridimensională a gazului care se rotește aproape de o gaură neagră”, spune Katie Bouman, profesor asistent de calcul și științe matematice, inginerie electrică și astronomie la Caltech, al cărui grup a condus efortul descris într-o lucrare în Nature Astronomy intitulată „Orbital Polarimetric”. Tomografia unei erupții în apropierea găurii negre supermasive din Săgetător A*.”

Aviad Levis, un cercetător postdoctoral din grupul lui Bouman și autorul principal al lucrării, subliniază că, deși videoclipul nu este o simulare, este și nu o înregistrare directă a evenimentelor, așa cum au avut loc. „Este o reconstrucție bazată pe modelele noastre de fizică a găurii negre. Există încă multă incertitudine asociată cu aceasta, deoarece se bazează pe precizia acestor modele”, spune el.

Pentru a reconstrui imaginea 3D, echipa a trebuit să dezvolte noi instrumente de imagistică computațională care ar putea, de exemplu, să țină seama de îndoirea luminii din cauza curburii spațiu-timp în jurul obiectelor cu o gravitate enormă, cum ar fi o gaură neagră.

Multidisciplinarul Echipa s-a gândit pentru prima dată dacă ar fi posibil să creeze un videoclip 3D cu erupții în jurul unei găuri negre în iunie 2021. Colaborarea Event Horizon Telescope (EHT), din care sunt membri Bouman și Levis, a publicat deja prima imagine a negrului supermasiv. gaură din miezul unei galaxii îndepărtate, numită M87, și lucra pentru a face același lucru cu datele EHT de la Sgr A*.

Pratul Srinivasan de la Google Research, un coautor al noii lucrări, a fost la acea vreme vizitând echipa de la Caltech. El a ajutat la dezvoltarea unei tehnici cunoscute sub numele de câmpuri de radiație neurale (NeRF), care tocmai începea să fie folosită de cercetători; de atunci a avut un impact uriaș asupra graficii computerizate. NeRF folosește învățarea profundă pentru a crea o reprezentare 3D a unei scene bazată pe imagini 2D. Oferă o modalitate de a observa scene din unghiuri diferite, chiar și atunci când sunt disponibile doar vizualizări limitate ale scenei.

Echipa s-a întrebat dacă, bazându-se pe aceste evoluții recente în reprezentările rețelelor neuronale, ar putea reconstrui 3D. mediul din jurul unei găuri negre. Marea lor provocare: de pe Pământ, ca oriunde, obținem doar un singur punct de vedere al găurii negre.

Echipa s-a gândit că ar putea depăși această problemă, deoarece gazul se comportă într-un mod oarecum previzibil, deoarece se mișcă în jurul găurii negre. Luați în considerare analogia încercării de a captura o imagine 3D a unui copil care poartă un tub interior în jurul taliei.

Pentru a captura o astfel de imagine cu metoda tradițională NeRF, veți avea nevoie de fotografii făcute din mai multe unghiuri în timp ce copilul rămas staționar. Dar, teoretic, ai putea cere copilului să se rotească în timp ce fotograful rămânea staționar făcând poze.

Instantaneele cronometrate, combinate cu informații despre viteza de rotație a copilului, ar putea fi folosite pentru a reconstrui la fel de bine scena 3D. În mod similar, valorificând cunoștințele despre modul în care gazul se mișcă la diferite distanțe față de o gaură neagră, cercetătorii și-au propus să rezolve problema reconstrucției fulgerului 3D cu măsurători luate de pe Pământ de-a lungul timpului.

Cu această perspectivă în mână, echipa a construit o versiune a NeRF care ia în considerare modul în care gazul se mișcă în jurul găurilor negre. Dar trebuia să ia în considerare și modul în care lumina se îndoaie în jurul obiectelor masive, cum ar fi găurile negre. Sub îndrumarea co-autorului Andrew Chael de la Universitatea Princeton, echipa a dezvoltat un model computerizat pentru a simula această îndoire, cunoscută și sub numele de lentilă gravitațională.

Cu aceste considerente în vigoare, noua versiune a NeRF a putut pentru a recupera structura trăsăturilor luminoase care orbitează în jurul orizontului de evenimente al unei găuri negre. Într-adevăr, dovada inițială a conceptului a arătat rezultate promițătoare pe datele sintetice.

Dar echipa avea nevoie de câteva date reale. Acolo a intervenit ALMA. Imaginea acum faimoasă a Sgr A* a EHT s-a bazat pe datele culese în perioada 6-7 aprilie 2017, care au fost zile relativ calme în mediul din jurul găurii negre. Dar astronomii au detectat o strălucire explozivă și bruscă în împrejurimi doar câteva zile mai târziu, pe 11 aprilie.

Când membrul echipei Maciek Wielgus de la Institutul Max Planck pentru Radio Astronomie din Germania a revenit la datele ALMA de la în acea zi, el a observat un semnal cu o perioadă care se potrivește cu timpul necesar unui punct luminos din disc pentru a finaliza o orbită în jurul Sgr A*. Echipa și-a propus să recupereze structura 3D a acelei străluciri din jurul Sgr A*.

ALMA este unul dintre cele mai puternice radiotelescoape din lume. Cu toate acestea, din cauza distanței mari până la centrul galactic (mai mult de 26.000 de ani lumină), nici măcar ALMA nu are rezoluția de a vedea împrejurimile imediate ale lui Sgr A*. Ceea ce măsoară ALMA sunt curbele de lumină, care sunt în esență videoclipuri ale unui singur pixel care pâlpâie, care sunt create prin colectarea întregii lumini cu lungimea de undă radio detectată de telescop pentru fiecare moment de observație.

Recuperarea unui volum 3D. dintr-un videoclip cu un singur pixel ar putea părea imposibil. Cu toate acestea, valorificând o informație suplimentară despre fizica care este așteptată pentru discul din jurul găurilor negre, echipa a reușit să ocolească lipsa de informații spațiale din datele ALMA.

ALMA nu are capturați doar o singură curbă de lumină. De fapt, oferă câteva astfel de „videoclipuri” pentru fiecare observație, deoarece telescopul înregistrează date referitoare la diferite stări de polarizare a luminii. La fel ca lungimea de undă și intensitatea, polarizarea este o proprietate fundamentală a luminii și reprezintă direcția în care componenta electrică a unei unde luminoase este orientată în raport cu direcția generală de deplasare a undei.

„Ceea ce obținem de la ALMA este două. videoclipuri polarizate cu un singur pixel”, spune Bouman, care este, de asemenea, un bursier Rosenberg și un investigator al Institutului de Cercetare Medicală Heritage. „Acea lumină polarizată este de fapt cu adevărat, cu adevărat informativă.”

Studii teoretice recente sugerează că punctele fierbinți care se formează în gaz sunt puternic polarizate, ceea ce înseamnă că undele de lumină care provin din aceste puncte fierbinți au o direcție de orientare preferată distinctă. Acest lucru este în contrast cu restul gazului, care are o orientare mai aleatorie sau amestecată. Prin colectarea diferitelor măsurători de polarizare, datele ALMA au oferit oamenilor de știință informații care ar putea ajuta la localizarea de unde provine emisia în spațiul 3D.

Pentru a descoperi o structură 3D probabilă care a explicat observațiile, echipa a dezvoltat o versiune actualizată a metodei sale care nu numai că a încorporat fizica curbării luminii și dinamica în jurul unei găuri negre, ci și emisia polarizată așteptată în punctele fierbinți care orbitează o gaură neagră. În această tehnică, fiecare structură potențială de flare este reprezentată ca un volum continuu folosind o rețea neuronală.

Acest lucru le permite cercetătorilor să progreseze computațional structura 3D inițială a unui punct fierbinte în timp, pe măsură ce acesta orbitează în jurul găurii negre pentru a crea o curbă întreagă de lumină. Ei ar putea apoi să rezolve cea mai bună structură 3D inițială care, atunci când a progresat în timp conform fizicii găurii negre, se potrivea cu observațiile ALMA.

Rezultatul este un videoclip care arată mișcarea în sensul acelor de ceasornic a două regiuni luminoase compacte care urmăresc o potecă în jurul găurii negre. „Este foarte interesant”, spune Bouman. „Nu trebuia să iasă astfel. Ar fi putut exista o luminozitate arbitrară împrăștiată pe tot volumul. Faptul că aceasta seamănă mult cu erupțiile pe care le prezic simulările computerizate ale găurilor negre este foarte incitant.”

Oamenii de știință notează că acesta este doar începutul acestei tehnologii incitante. „Aceasta este o aplicație cu adevărat interesantă a modului în care AI și fizica pot veni împreună pentru a dezvălui ceva care altfel nu se vede”, spune Levis. „Sperăm că astronomii l-ar putea folosi pe alte date bogate din serii de timp pentru a face lumină asupra dinamicii complexe a altor astfel de evenimente și pentru a trage noi concluzii.”

(Fluierul)