Кредит: CC0 Public Domain
Ученые полагают, что среда, непосредственно окружающая черную дыру, является бурной и содержит горячий намагниченный газ, который вращается по спирали в диске с огромными скоростями и температурами. Астрономические наблюдения показывают, что внутри такого диска до нескольких раз в день возникают загадочные вспышки, временно ярчающие, а затем затухающие.
Теперь команда под руководством ученых Калифорнийского технологического института использовала данные телескопа и технику компьютерного зрения искусственного интеллекта (ИИ), чтобы восстановить первое трехмерное видео, показывающее, как могут выглядеть такие вспышки вокруг Стрельца A* (Sgr A*), сверхмассивной черной дыры. в самом сердце нашей галактики Млечный Путь.
Трехмерная структура вспышки состоит из двух ярких компактных деталей, расположенных примерно в 75 миллионах километров (или половине расстояния между Землей и Солнцем) от центра черной дыры. Он основан на данных, собранных Большой миллиметровой решеткой Атакамы (ALMA) в Чили в течение 100 минут сразу после извержения, наблюдаемого по рентгеновским данным 11 апреля 2017 года.
«Это первая трехмерная реконструкция газа, вращающегося вблизи черной дыры», — говорит Кэти Бауман, доцент кафедры вычислительных и математических наук, электротехники и астрономии в Калифорнийском технологическом институте, чья группа возглавила работу, описанную в статье в журнале Nature Astronomy. под названием «Орбитальная поляриметрическая томография вспышки вблизи сверхмассивной черной дыры Стрельца А*».
Авиад Левис, научный сотрудник группы Баумана и ведущий автор статьи, подчеркивает, что, хотя видео не является симуляцией, оно также не является прямой записью событий в том виде, в котором они происходили. «Это реконструкция, основанная на наших моделях физики черных дыр. С ней все еще связано много неопределенности, поскольку она полагается на точность этих моделей», — говорит он.
Использование искусственного интеллекта, основанного на физике, для определения возможных 3D-структур.
Чтобы реконструировать трехмерное изображение, команде пришлось разработать новые инструменты вычислительной визуализации, которые могли бы, например, учитывать искривление света из-за искривления пространства-времени вокруг объектов огромной гравитации, таких как черная дыра.
Многопрофильная группа впервые рассмотрела возможность создания 3D-видео вспышек вокруг черной дыры в июне 2021 года. Сотрудничество Event Horizon Telescope (EHT), членами которого являются Боуман и Левис, уже опубликовало первое изображение черной дыры. сверхмассивную черную дыру в ядре далекой галактики под названием M87, и работал над тем же самым с данными EHT от Sgr A*.
Пратул Сринивасан из Google Research, соавтор новой статьи, в то время находился в гостях у команды в Калифорнийском технологическом институте. Он помог разработать метод, известный как поля нейронного излучения (NeRF), который тогда только начинал использоваться исследователями; с тех пор он оказал огромное влияние на компьютерную графику. NeRF использует глубокое обучение для создания 3D-представления сцены на основе 2D-изображений. Он дает возможность наблюдать сцены под разными углами, даже если доступны лишь ограниченные виды сцены.
Команда задалась вопросом, смогут ли они, опираясь на эти недавние разработки в области представлений нейронных сетей, реконструировать трехмерную среду вокруг черной дыры. Их большая проблема: с Земли, как и везде, мы получаем только одну точку зрения на черную дыру.
Команда подумала, что они смогут решить эту проблему, поскольку газ ведет себя несколько предсказуемым образом при движении вокруг черной дыры. Рассмотрим аналогию с попыткой запечатлеть трехмерное изображение ребенка, носящего камеру на талии.
Чтобы сделать такое изображение традиционным методом NeRF, вам потребуются фотографии, сделанные под разными углами, пока ребенок остается неподвижным. Но теоретически вы могли бы попросить ребенка повернуться, в то время как фотограф оставался неподвижным и делал снимки.
Синхронизированные снимки в сочетании с информацией о скорости вращения ребенка могут быть использованы для столь же хорошей реконструкции трехмерной сцены. Аналогичным образом, используя знания о том, как газ движется на разных расстояниях от черной дыры, исследователи стремились решить проблему трехмерной реконструкции вспышки с помощью измерений, полученных с Земли с течением времени.
Имея это представление, команда создала версию NeRF, которая учитывает, как газ движется вокруг черных дыр. Но также необходимо было учитывать, как свет огибает массивные объекты, такие как черные дыры. Под руководством соавтора Эндрю Чела из Принстонского университета команда разработала компьютерную модель для моделирования этого изгиба, также известного как гравитационное линзирование.
Учитывая эти соображения, новая версия NeRF смогла восстановить структуру ярких объектов, вращающихся вокруг горизонта событий черной дыры. Действительно, первоначальная проверка концепции показала многообещающие результаты на синтетических данных.
Вспышка вокруг стрелка А* для изучения
Но команде нужны были реальные данные. Вот тут-то и пришла на помощь ALMA. Теперь известное изображение Стрельца А*, полученное EHT, было основано на данных, собранных 6–7 апреля 2017 года, то есть в относительно спокойные дни в окружающей черной дыре среде. Но всего несколько дней спустя, 11 апреля, астрономы обнаружили взрывное и внезапное просветление в окрестностях.
Когда член группы Мацек Вильгус из Института радиоастрономии Макса Планка в Германии вернулся к данным ALMA за тот день, он заметил сигнал с периодом, соответствующим времени, которое потребуется яркому пятну внутри диска, чтобы завершить оборот вокруг своей оси. Сержант А*. Команда намеревалась восстановить трехмерную структуру этого просветления вокруг Стрельца А*.
АЛМА — один из самых мощных радиотелескопов в мире. Однако из-за огромного расстояния до центра галактики (более 26 000 световых лет) даже ALMA не имеет разрешения, чтобы увидеть ближайшее окружение Стрельца А*. ALMA измеряет кривые блеска, которые по сути представляют собой видео одного мерцающего пикселя, которые создаются путем сбора всего радиоволнового света, обнаруженного телескопом в каждый момент наблюдения.
Восстановление 3D-объема из однопиксельного видео может показаться невозможным. Однако, используя дополнительную информацию о физике диска вокруг черных дыр, команда смогла обойти недостаток пространственной информации в данных ALMA.
Сильно поляризованный свет от вспышек дал подсказки.
ALMA не просто фиксирует одну кривую блеска. Фактически, он предоставляет несколько таких «видео» для каждого наблюдения, поскольку телескоп записывает данные, относящиеся к различным состояниям поляризации света. Подобно длине волны и интенсивности, поляризация является фундаментальным свойством света и показывает, в каком направлении ориентирован электрический компонент световой волны относительно общего направления движения волны.
«То, что мы получаем от ALMA, — это два поляризованных однопиксельных видео», — говорит Боуман, который также является стипендиатом Розенберга и исследователем Института медицинских исследований Heritage. «Этот поляризованный свет на самом деле очень информативен».
Недавние теоретические исследования показывают, что горячие точки, образующиеся внутри газа, сильно поляризованы, а это означает, что световые волны, исходящие от этих горячих точек, имеют четко выраженное предпочтительное направление ориентации. Это отличается от остального газа, который имеет более хаотичную или перемешанную ориентацию. Собрав данные различных измерений поляризации, данные ALMA предоставили ученым информацию, которая могла бы помочь локализовать источник излучения в трехмерном пространстве.
Представляем орбитальную поляриметрическую томографию
Чтобы выяснить вероятную трехмерную структуру, объясняющую наблюдения, команда разработала обновленную версию своего метода, которая включала не только физику отклонения света и динамику вокруг черной дыры, но также поляризованное излучение, ожидаемое в горячих точках, вращающихся вокруг черной дыры. В этом методе каждая потенциальная вспышечная структура представляется как непрерывный объем с помощью нейронной сети.
Это позволяет исследователям вычислительно улучшать первоначальную трехмерную структуру горячей точки с течением времени, пока она вращается вокруг черной дыры, чтобы создать целую кривую блеска. Затем они смогли найти лучшую первоначальную трехмерную структуру, которая при дальнейшем развитии в соответствии с физикой черных дыр соответствовала наблюдениям ALMA.
Результатом является видео, показывающее движение по часовой стрелке двух компактных ярких областей, прослеживающих путь вокруг черной дыры. «Это очень интересно», — говорит Бауман. «Это не должно было произойти таким образом. По всему объему могла быть разбросана произвольная яркость. Тот факт, что это очень похоже на вспышки, которые предсказывают компьютерные симуляции черных дыр, очень интересен».
Левис говорит, что работа носила уникальный междисциплинарный характер: «У вас есть партнерство между учеными-компьютерщиками и астрофизиками, которое является уникальным синергетическим. Вместе мы разработали нечто передовое в обеих областях — как разработку числовых кодов, моделирующих то, как свет распространяется вокруг черные дыры и работа по компьютерному изображению, которую мы проделали».
Ученые отмечают, что это только начало этой захватывающей технологии. «Это действительно интересное применение того, как искусственный интеллект и физика могут объединиться, чтобы раскрыть то, что иначе было бы невидимо», — говорит Левис. «Мы надеемся, что астрономы смогут использовать его для других богатых данных временных рядов, чтобы пролить свет на сложную динамику других подобных событий и сделать новые выводы».
Информация от: Калифорнийским технологическим институтом
