Oamenii de știință au folosit inteligența artificială pentru a construi un model tridimensional al unei izbucniri energetice, sau erupții, care a avut loc în jurul Calea lacteegaura neagră centrală a lui, Săgetător A* (Sgr A*). Acest model 3D ar putea ajuta oamenii de știință să dezvolte o imagine mai clară a mediului tumultuos care se formează în jur găuri negre supermasive în general.
Materialul care se învârte în jurul Sgr A* există într-o structură aplatizată numită „disc de acreție” care se poate erupe periodic. Aceste erupții apar pe o gamă de lungimi de undă luminoase, de la raze X de mare energie până la lumină infraroșie de energie scăzută și unde radio.
Simulările supercomputerului sugerează că o erupție văzută de Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA) pe 11 aprilie 2017 a provenit din două puncte luminoase de material dens din discul de acreție al lui Sgr A*, ambele fiind îndreptate spre Pământ. Aceste puncte luminoase se învârte în jurul găurii negre supermasive, care are o masă de aproximativ 4,2 milioane de ori mai mare decât cea a soarelui, în timp ce sunt separate de aproximativ jumătate din distanța dintre Pământ si soare. Adică aproximativ 47 de milioane de mile (75 de milioane de kilometri).
Reconstituirea acestor erupții în 3D din datele observaționale nu este o ispravă uşoară. Pentru a aborda acest lucru, echipa, condusă de savantul Aviad Levis de la Institutul de Tehnologie din California, a propus o nouă tehnică de imagistică numită „tomografie polarimetrică orbitală”. Metoda nu este diferită de tomografia computerizată medicală sau CT, scanări efectuate în spitalele din întreaga lume.
„Regiunea compactă din jurul centrului galactic este un loc extrem în care gazul fierbinte magnetizat orbitează o gaură neagră supermasivă la viteze relativiste. [speeds approaching that of light]. Acest mediu unic alimentează erupții foarte energetice cunoscute sub numele de erupții, care lasă semnături observaționale la lungimi de undă de raze X, infraroșu și radio”, a declarat Levis pentru Space.com. „Recent, teoreticienii au propus mai multe mecanisme pentru apariția unor astfel de erupții, dintre care unul este prin regiuni extrem de luminoase, compacte care se formează brusc în discul de acreție.”
Rezultatul cheie al acestei lucrări, a adăugat el, este recuperarea a ceea ce ar putea arăta structura 3D a luminozității radio din jurul Sgr A* imediat după detectarea unei erupții.
Construirea unei găuri negre dintr-un singur pixel
„Sgr A* se află în inima noastră Calea lactee galaxie, făcând-o cea mai apropiată gaură neagră supermasivă și un candidat principal pentru a studia astfel de erupții”, a spus Levis. “Pentru a face acest lucru în mod eficient, mai aveți nevoie de un element de noroc când observațiile ALMA coincid cu o erupție.”
El a explicat că, pe 11 aprilie 2017, ALMA îl observa pe Sgr A* direct după o erupție violentă surprinsă în raze X. Datele radio achiziționate de ALMA aveau un semnal periodic care era în concordanță cu ceea ce ar fi de așteptat pentru o orbită în jurul Sgr A*.
„Acest lucru a determinat dezvoltarea noastră a unei abordări computaționale care ar putea extrage structura 3D din datele din seria temporală pe care ALMA le observă”, a adăugat Levis. „Spre deosebire de imaginea 2D a telescopului Event Horizon (EHT) a Sgr A*, am fost interesați să recuperăm volumul 3D și, pentru a face asta, ne-am bazat pe modelarea fizică a modului în care lumina se deplasează de-a lungul traiectoriilor curbe în câmpul gravitațional puternic al o gaură neagră”.
Pentru a-și obține rezultatele, oamenii de știință s-au uitat la fizica derivată din a lui Albert Einstein Teoria gravitației din 1915, relativitatea generală, a aplicat apoi acele concepte în jurul găurilor negre supermasive unei rețele neuronale. Această rețea a fost apoi folosită pentru a crea modelul Sgr A*.
„Această lucrare este o colaborare unică între astronomi și informaticieni care avansează instrumente computaționale de ultimă oră din ambele domenii ale AI și ale fizicii gravitaționale, fiecare contribuind cu o parte importantă a întregului în această primă încercare de a dezvălui structura de emisie radio 3D din jurul Sgr A. *”, a spus Levis. „Rezultatul nu este o fotografie în sensul obișnuit; mai degrabă, este o imagine 3D computațională extrasă din observații în serii de timp prin constrângerea unei rețele neuronale cu fizica așteptată a modului în care gazul orbitează în jurul găurii negre și a modului în care radiația sincrotron este emisă în proces.”
El a explicat că echipa a plasat computațional „emisii” 3D pe orbită în jurul Sgr A*, începând cu o structură arbitrară. Prin ray tracing, care se referă la simulări grafice ale comportamentului fizic al luminii, Levis și colegii săi au reușit să modeleze modul în care ALMA va vedea structura din jurul Sgr A* în vremuri viitoare. Acele modele au început la 10 minute după erupție, apoi 20 de minute mai târziu, 30 de minute mai târziu – și așa mai departe.
„Tehnologia câmpurilor de radiație neurale și trasarea razelor relativiste generale ne oferă o modalitate de a începe să schimbăm structura 3D până când modelul se potrivește cu observațiile”, a adăugat Levis.
Echipa a descoperit că acest lucru a oferit concluzii despre mediul din jurul Sgr A* care sunt într-adevăr prezise de teorie, arătând că luminozitatea este concentrată în mai multe regiuni mici din discul de acreție. Totuși, aspecte ale acestei lucrări au fost surprinzătoare pentru Levis și restul echipei.
„Cea mai mare surpriză a fost că am reușit să recuperăm structura 3D din observațiile curbei luminii… în esență, un videoclip cu un singur pixel care pâlpâie”, a spus cercetătorul. „Gândește-te: dacă ar fi să-ți spun că poți recupera un videoclip de la un singur pixel, ai spune că sună practic imposibil. Cheia este că nu recuperăm un videoclip arbitrar.
„Recuperăm structura 3D a emisiilor în jurul unei găuri negre și putem folosi fizica gravitațională și a emisiilor așteptate pentru a ne limita reconstrucția.”
Levis a adăugat că faptul că ALMA măsoară nu doar intensitatea luminii, ci și polarizarea acesteia a oferit echipei un semnal foarte informativ, cu indicii despre structura 3D a erupțiilor din jurul Sgr A*.
În continuare, Levis a spus că el și echipa intenționează să ruleze simularea în timp ce schimbă parametrii fizicii utilizați pentru a constrânge AI.
„Aceste rezultate sunt un prim pas interesant, care se bazează pe credința că Sgr A* este o gaură neagră al cărei mediu se supune modelelor gravitaționale și de emisie prescrise; acuratețea rezultatului nostru depinde de validitatea acestor ipoteze”, a concluzionat Levis. „În viitor, am dori să slăbim aceste constrângeri pentru a permite abateri de la fizica așteptată.
„Abordarea noastră, care valorifică sinergia dintre fizică și inteligență artificială, deschide ușa către întrebări noi și interesante ale căror răspunsuri vor continua să avanseze înțelegerea noastră despre găurile negre și despre univers.”
Cercetarea echipei a fost publicată luni (22 aprilie) în jurnal Astronomia naturii.
Publicat inițial pe Space.com