AI og fysik kombineres for at afsløre 3D-strukturen af ​​en flare, der bryder ud omkring et sort hul

Holdet troede, at de måske kunne overvinde dette problem, fordi gas opfører sig på en noget forudsigelig måde, når den bevæger sig rundt i det sorte hul. Overvej analogien med at forsøge at tage et 3D-billede af et barn, der bærer et indre rør om livet.

For at tage et sådant billede med den traditionelle NeRF-metode skal du have billeder taget fra flere vinkler, mens barnet forblev stationært. Men i teorien kunne du bede barnet om at rotere, mens fotografen forblev stillestående og tog billeder.

De tidsindstillede snapshots, kombineret med information om barnets rotationshastighed, kunne bruges til at rekonstruere 3D-scenen lige så godt. Tilsvarende, ved at udnytte viden om, hvordan gas bevæger sig i forskellige afstande fra et sort hul, sigtede forskerne på at løse 3D-flare-rekonstruktionsproblemet med målinger taget fra Jorden over tid.

Med denne indsigt i hånden byggede holdet en version af NeRF, der tager højde for, hvordan gas bevæger sig rundt i sorte huller. Men det var også nødvendigt at overveje, hvordan lys bøjer sig omkring massive genstande såsom sorte huller. Under vejledning af medforfatter Andrew Chael fra Princeton University udviklede holdet en computermodel til at simulere denne bøjning, også kendt som gravitationslinser.

Med disse overvejelser på plads var den nye version af NeRF i stand til at genoprette strukturen af ​​kredsende lyse træk omkring begivenhedshorisonten af ​​et sort hul. Faktisk viste det første proof-of-concept lovende resultater på syntetiske data.

Et blus omkring Sgr A* for at studere

Men holdet havde brug for nogle rigtige data. Det var her ALMA kom ind i billedet. EHT's nu berømte billede af Sgr A* var baseret på data indsamlet den 6.-7. april 2017, som var relativt rolige dage i miljøet omkring det sorte hul. Men astronomer opdagede en eksplosiv og pludselig opblomstring i omgivelserne blot et par dage senere, den 11. april.

Da teammedlem Maciek Wielgus fra Max Planck Institute for Radio Astronomy i Tyskland gik tilbage til ALMA-dataene fra den dag, lagde han mærke til et signal med en periode, der matchede den tid, det ville tage for et lyspunkt inde i disken at fuldføre et kredsløb omkring Sgr A*. Holdet satte sig for at genoprette 3D-strukturen af ​​den lysnende oplysning omkring Sgr A*.

ALMA er et af de kraftigste radioteleskoper i verden. Men på grund af den store afstand til det galaktiske centrum (mere end 26.000 lysår), har selv ALMA ikke opløsningen til at se Sgr A*'s umiddelbare omgivelser. Det, ALMA måler, er lyskurver, som i det væsentlige er videoer af en enkelt flimrende pixel, som er skabt ved at indsamle alt det radiobølgelængdelys, der registreres af teleskopet for hvert observationsøjeblik.

Gendannelse af en 3D-volumen fra en enkelt-pixel video kan virke umulig. Men ved at udnytte et yderligere stykke information om den fysik, der forventes for disken omkring sorte huller, var holdet i stand til at omgå manglen på rumlig information i ALMA-dataene.

Stærkt polariseret lys fra lysflammerne gav ledetråde

ALMA fanger ikke kun en enkelt lyskurve. Faktisk giver det flere sådanne "videoer" for hver observation, fordi teleskopet optager data vedrørende lysets forskellige polarisationstilstande. Ligesom bølgelængde og intensitet er polarisering en grundlæggende egenskab ved lys og repræsenterer, hvilken retning den elektriske komponent af en lysbølge er orienteret i forhold til bølgens generelle bevægelsesretning.

"Det, vi får fra ALMA, er to polariserede single-pixel videoer," siger Bouman, som også er Rosenberg Scholar og en Heritage Medical Research Institute Investigator. "Det polariserede lys er faktisk virkelig, virkelig informativt."

Nylige teoretiske undersøgelser tyder på, at varme pletter, der dannes i gassen, er stærkt polariserede, hvilket betyder, at lysbølgerne, der kommer fra disse varme pletter, har en tydelig foretrukken orienteringsretning. Dette er i modsætning til resten af ​​gassen, som har en mere tilfældig eller forvrænget orientering. Ved at indsamle de forskellige polarisationsmålinger gav ALMA-dataene forskerne information, der kunne hjælpe med at lokalisere, hvor emissionen kom fra i 3D-rummet.

Introduktion af orbital polarimetrisk tomografi

For at finde ud af en sandsynlig 3D-struktur, der forklarede observationerne, udviklede holdet en opdateret version af sin metode, der ikke kun inkorporerede fysikken i lysbøjning og dynamik omkring et sort hul, men også den polariserede emission, der forventes i hot spots, der kredser om et sort hul. I denne teknik er hver potentiel flarestruktur repræsenteret som et kontinuerligt volumen ved hjælp af et neuralt netværk.

Dette gør det muligt for forskerne at beregne den indledende 3D-struktur af et hotspot over tid, når det kredser om det sorte hul for at skabe en hel lyskurve. De kunne derefter finde den bedste indledende 3D-struktur, der, når den blev udviklet i tid ifølge sorte huls fysik, matchede ALMA-observationerne.

Resultatet er en video, der viser bevægelsen med uret af to kompakte lyse områder, der sporer en sti rundt om det sorte hul. "Det er meget spændende," siger Bouman. "Det behøvede ikke at komme ud på denne måde. Der kunne have været vilkårlig lysstyrke spredt ud over lydstyrken. Det faktum, at dette ligner meget de flares, som computersimuleringer af sorte huller forudsiger, er meget spændende."

Levis siger, at arbejdet var unikt tværfagligt:​​"Du har et partnerskab mellem dataloger og astrofysikere, som er enestående synergi. Sammen udviklede vi noget, der er banebrydende på begge områder - både udviklingen af ​​numeriske koder, der modellerer, hvordan lys forplanter sig rundt omkring sorte huller og det beregningsmæssige billedbehandlingsarbejde, som vi udførte."

Forskerne bemærker, at dette kun er begyndelsen til denne spændende teknologi. "Dette er en virkelig interessant anvendelse af, hvordan AI og fysik kan komme sammen for at afsløre noget, der ellers er uset," siger Levis. "Vi håber, at astronomer kunne bruge det på andre rige tidsseriedata til at kaste lys over komplekse dynamikker i andre sådanne begivenheder og til at drage nye konklusioner."

Flere oplysninger: Aviad Levis, Orbital polarimetrisk tomografi af en flare nær Sagittarius A* supermassive sorte hul, Nature Astronomy (2024). DOI:10.1038/s41550-024-02238-3. www.nature.com/articles/s41550-024-02238-3

Journaloplysninger: Naturastronomi

Leveret af California Institute of Technology