Naukowcy uważają, że środowisko bezpośrednio otaczające czarną dziurę jest burzliwe i obejmuje gorący, namagnesowany gaz, który wiruje w dysku z ogromnymi prędkościami i temperaturami. Obserwacje astronomiczne pokazują, że w obrębie takiego dysku tajemnicze rozbłyski pojawiają się nawet kilka razy dziennie, chwilowo się rozjaśniając, a następnie zanikając. Teraz zespół kierowany przez naukowców z Caltech wykorzystał dane teleskopu i technikę widzenia komputerowego sztucznej inteligencji (AI), aby odzyskać pierwszy trójwymiarowy film pokazujący, jak takie rozbłyski mogłyby wyglądać wokół Strzelca A* (Sgr A*, wymawiane sadge-ay -star), supermasywna czarna dziura w sercu naszej własnej galaktyki Drogi Mlecznej.
Struktura rozbłysków 3D składa się z dwóch jasnych, zwartych obiektów położonych około 75 milionów kilometrów (czyli połowę odległości między Ziemią a Słońcem) od centrum czarnej dziury. Opiera się na danych zebranych przez Atacama Large Millimeter Array (ALMA) w Chile w ciągu 100 minut bezpośrednio po erupcji widocznej na zdjęciach rentgenowskich z 11 kwietnia 2017 r.
„To pierwsza trójwymiarowa rekonstrukcja gazu wirującego w pobliżu czarnej dziury” – mówi Katie Bouman, adiunkt informatyki i nauk matematycznych, elektrotechniki i astronomii w Caltech, której grupa kierowała pracami opisanymi w nowym artykule w Nature Astronomia.
Aviad Levis, doktorantka w grupie Boumana i główna autorka nowego artykułu, podkreśla, że choć wideo nie jest symulacją, nie jest też bezpośrednim zapisem wydarzeń. „To rekonstrukcja oparta na naszych modelach fizyki czarnych dziur. Nadal wiąże się z nią wiele niepewności, ponieważ opiera się na dokładności tych modeli” – mówi.
Wykorzystanie sztucznej inteligencji opartej na fizyce do znalezienia możliwych struktur 3D
Aby zrekonstruować obraz 3D, zespół musiał opracować nowe narzędzia do obrazowania obliczeniowego, które mogłyby na przykład wyjaśnić zakrzywienie światła w wyniku krzywizny czasoprzestrzeni wokół obiektów o ogromnej grawitacji, takich jak czarna dziura.
Multidyscyplinarny zespół najpierw zastanawiał się, czy w czerwcu 2021 r. możliwe byłoby stworzenie trójwymiarowego filmu przedstawiającego rozbłyski wokół czarnej dziury. Współpraca w ramach inicjatywy Event Horizon Telescope (EHT), której członkami są Bouman i Levis, opublikowała już pierwsze zdjęcie rozbłysku supermasywnej czarnej dziury w jądrze odległej galaktyki zwanej M87 i pracował nad zrobieniem tego samego z danymi EHT z Sgr A*. Pratul Srinivasan z Google Research, współautor nowego artykułu, odwiedzał w tym czasie zespół w Caltech. Pomógł opracować technikę znaną jako neuronowe pola promieniowania (NeRF), która wówczas dopiero zaczęła być wykorzystywana przez badaczy; od tego czasu wywarł ogromny wpływ na grafikę komputerową. NeRF wykorzystuje głębokie uczenie się do tworzenia trójwymiarowej reprezentacji sceny na podstawie obrazów 2D. Umożliwia obserwację scen pod różnymi kątami, nawet jeśli dostępne są tylko ograniczone widoki sceny.
Zespół zastanawiał się, czy w oparciu o najnowsze osiągnięcia w zakresie reprezentacji sieci neuronowych można zrekonstruować środowisko 3D wokół czarnej dziury. Ich wielkie wyzwanie: z Ziemi, jak wszędzie, mamy tylko jeden punkt widzenia na czarną dziurę.
Zespół pomyślał, że uda mu się pokonać ten problem, ponieważ gaz porusza się wokół czarnej dziury zachowując się w dość przewidywalny sposób. Rozważmy analogię do próby uchwycenia obrazu 3D dziecka noszącego dętkę owiniętą wokół talii. Aby uchwycić taki obraz tradycyjną metodą NeRF, potrzebne są zdjęcia wykonane pod różnymi kątami, podczas gdy dziecko pozostaje nieruchome. Ale teoretycznie można poprosić dziecko, aby się obracało, podczas gdy fotograf pozostaje nieruchomy i robi zdjęcia. Zrzuty czasowe w połączeniu z informacjami o prędkości obrotowej dziecka można równie dobrze wykorzystać do rekonstrukcji sceny 3D. Podobnie, wykorzystując wiedzę o tym, jak gaz porusza się w różnych odległościach od czarnej dziury, badacze chcieli rozwiązać problem rekonstrukcji rozbłysków 3D na podstawie pomiarów wykonywanych z Ziemi w czasie.
Mając tę wiedzę, zespół stworzył wersję NeRF, która uwzględnia ruch gazu wokół czarnych dziur. Konieczne było jednak również rozważenie, w jaki sposób światło załamuje się wokół masywnych obiektów, takich jak czarne dziury. Pod kierunkiem współautora Andrew Chaela z Uniwersytetu Princeton zespół opracował model komputerowy do symulacji tego zginania, znanego również jako soczewkowanie grawitacyjne.
Mając na uwadze powyższe, nowa wersja NeRF była w stanie odtworzyć strukturę jasnych obiektów krążących wokół horyzontu zdarzeń czarnej dziury. Rzeczywiście, wstępna weryfikacja koncepcji wykazała obiecujące wyniki na danych syntetycznych.
Rozbłysk wokół Sgr A* do badań
Zespół potrzebował jednak prawdziwych danych. I tu wkroczyła ALMA. Słynne obecnie zdjęcie Sgr A* wykonane przez EHT powstało w oparciu o dane zebrane w dniach 6–7 kwietnia 2017 r., kiedy w środowisku otaczającym czarną dziurę panowały stosunkowo spokojne dni. Jednak astronomowie wykryli wybuchowe i nagłe pojaśnienie w otoczeniu zaledwie kilka dni później, 11 kwietnia. Kiedy członek zespołu Maciek Wielgus z Instytutu Radioastronomii Maxa Plancka w Niemczech wrócił do danych ALMA z tego dnia, zauważył sygnał z okresem odpowiadającym czasowi, jakiego jasna plama w dysku potrzebowałaby na pełne okrążenie wokół Sgr A*. Zespół postanowił odzyskać trójwymiarową strukturę rozjaśnienia wokół Sgr A*.
ALMA to jeden z najpotężniejszych radioteleskopów na świecie. Jednak ze względu na ogromną odległość od centrum galaktyki (ponad 26 000 lat świetlnych) nawet ALMA nie ma rozdzielczości umożliwiającej obserwację bezpośredniego otoczenia Sgr A*. ALMA mierzy krzywe blasku, czyli zasadniczo filmy pojedynczego migoczącego piksela, które powstają poprzez zebranie całego światła o długości fali radiowej wykrywanego przez teleskop w każdym momencie obserwacji.
Odzyskanie objętości 3D z jednopikselowego wideo może wydawać się niemożliwe. Jednakże, wykorzystując dodatkowe informacje na temat fizyki, których oczekuje się dla dysku wokół czarnych dziur, zespołowi udało się obejść brak informacji przestrzennych w danych ALMA.
Silnie spolaryzowane światło z flar dostarczyło wskazówek
ALMA nie rejestruje tylko pojedynczej krzywej blasku. W rzeczywistości udostępnia kilka takich „filmów” dla każdej obserwacji, ponieważ teleskop rejestruje dane dotyczące różnych stanów polaryzacji światła. Podobnie jak długość fali i intensywność, polaryzacja jest podstawową właściwością światła i określa kierunek, w którym składowa elektryczna fali świetlnej jest zorientowana w stosunku do ogólnego kierunku przemieszczania się fali. „Z ALMA otrzymujemy dwa spolaryzowane, jednopikselowe filmy” – mówi Bouman, który jest także stypendystą Rosenberga i badaczem Heritage Medical Research Institute. „To spolaryzowane światło jest naprawdę bardzo pouczające”.
Ostatnie badania teoretyczne sugerują, że gorące punkty powstające w gazie są silnie spolaryzowane, co oznacza, że fale świetlne wychodzące z tych gorących punktów mają wyraźnie preferowany kierunek orientacji. Kontrastuje to z resztą gazu, który ma bardziej przypadkową lub chaotyczną orientację. Gromadząc różne pomiary polaryzacji, dane ALMA dostarczyły naukowcom informacji, które mogą pomóc w zlokalizowaniu źródła emisji w przestrzeni 3D.
Przedstawiamy orbitalną tomografię polarymetryczną
Aby znaleźć prawdopodobną strukturę 3D wyjaśniającą obserwacje, zespół opracował zaktualizowaną wersję swojej metody, która uwzględnia nie tylko fizykę zaginania światła i dynamikę wokół czarnej dziury, ale także spolaryzowaną emisję oczekiwaną w gorących punktach krążących wokół czarnej dziury. W tej technice każda potencjalna struktura rozbłysku jest reprezentowana jako ciągła objętość za pomocą sieci neuronowej. Pozwala to naukowcom na dokonywanie postępów obliczeniowych początkowej struktury 3D gorącego punktu w czasie, gdy krąży on wokół czarnej dziury, tworząc całą krzywą blasku. Następnie mogli znaleźć najlepszą początkową strukturę 3D, która w miarę upływu czasu zgodnie z fizyką czarnej dziury odpowiadała obserwacjom ALMA.
W rezultacie powstał film pokazujący ruch zgodnie z ruchem wskazówek zegara dwóch zwartych, jasnych obszarów, które wyznaczają ścieżkę wokół czarnej dziury. „To bardzo ekscytujące” – mówi Bouman. „To nie musiało tak wyglądać. Mogła być dowolna jasność rozproszona w całym obszarze. Fakt, że to wygląda bardzo podobnie do rozbłysków przewidywanych przez komputerowe symulacje czarnych dziur, jest bardzo ekscytujący”.
Levis twierdzi, że praca miała wyjątkowo interdyscyplinarny charakter: „Pomiędzy informatykami i astrofizykami istnieje partnerstwo, które charakteryzuje się wyjątkową synergią. Razem opracowaliśmy coś, co jest nowatorskie w obu dziedzinach – zarówno opracowanie kodów numerycznych modelujących rozchodzenie się światła, jak i wokół czarnych dziur i wykonane przez nas prace związane z obrazowaniem obliczeniowym.”
Naukowcy zauważają, że to dopiero początek tej ekscytującej technologii. „To naprawdę interesujące zastosowanie tego, jak sztuczna inteligencja i fizyka mogą połączyć się, aby odkryć coś, czego w innym przypadku nie byłoby widać” – mówi Levis. „Mamy nadzieję, że astronomowie będą mogli wykorzystać je w badaniu innych bogatych danych dotyczących szeregów czasowych, aby rzucić światło na złożoną dynamikę innych tego typu zdarzeń i wyciągnąć nowe wnioski”.