Forskare tror att miljön som omedelbart omger ett svart hål är tumultartad, med het magnetiserad gas som spiralerar i en skiva med enorma hastigheter och temperaturer. Astronomiska observationer visar att inom en sådan skiva inträffar mystiska bloss upp till flera gånger om dagen, som tillfälligt blir ljusare och sedan försvinner.
Nu har ett team ledd av Caltech-forskare använt teleskopdata och en datorseendeteknik med artificiell intelligens (AI) för att återställa den första tredimensionella videon som visar hur sådana bloss kan se ut runt Skytten A* (Sgr A*) det supermassiva svarta hålet i hjärtat av vår egen Vintergatan-galax.
3D flare strukturen har två ljusa, kompakta funktioner som ligger cirka 75 miljoner kilometer (eller halva avståndet mellan jorden och solen) från mitten av det svarta hålet. Den är baserad på data som samlats in av Atacama Large Millimeter Array (ALMA) i Chile under en period av 100 minuter direkt efter ett utbrott som sågs i röntgendata den 11 april 2017.
"Detta är den första tredimensionella rekonstruktionen av gas som roterar nära ett svart hål", säger Katie Bouman, biträdande professor i datavetenskap och matematiska vetenskaper, elektroteknik och astronomi vid Caltech, vars grupp ledde arbetet som beskrivs i en artikel i Naturastronomi med titeln "Orbital polarimetrisk tomografi av en flare nära Skytten A* Supermassive Black Hole."
Aviad Levis, en postdoktor i Boumans grupp och huvudförfattare till tidningen, betonar att även om videon inte är en simulering, är den inte heller en direkt inspelning av händelser när de ägde rum. "Det är en rekonstruktion baserad på våra modeller av svarta håls fysik. Det finns fortfarande mycket osäkerhet förknippad med det eftersom det är beroende av att dessa modeller är korrekta", säger han.
För att rekonstruera 3D-bilden var teamet tvunget att utveckla nya beräkningsavbildningsverktyg som till exempel kunde redogöra för ljusets böjning på grund av rum-tidens krökning runt föremål med enorm gravitation, som ett svart hål.
Det tvärvetenskapliga teamet övervägde först om det skulle vara möjligt att skapa en 3D-video av bloss runt ett svart hål i juni 2021. Event Horizon Telescope (EHT) Collaboration, som Bouman och Levis är medlemmar i, hade redan publicerat den första bilden av supermassiva svarta hål i kärnan av en avlägsen galax, kallad M87, och arbetade för att göra samma sak med EHT-data från Sgr A*.
Pratul Srinivasan från Google Research, en medförfattare till den nya tidningen, besökte då teamet på Caltech. Han hade hjälpt till att utveckla en teknik som kallas neural radiance fields (NeRF) som då precis började användas av forskare; det har sedan dess haft en enorm inverkan på datorgrafiken. NeRF använder djupinlärning för att skapa en 3D-representation av en scen baserad på 2D-bilder. Det ger ett sätt att observera scener från olika vinklar, även när endast begränsade vyer av scenen är tillgängliga.
Teamet undrade om de, genom att bygga vidare på den senaste utvecklingen av representationer av neurala nätverk, kunde rekonstruera 3D-miljön runt ett svart hål. Deras stora utmaning:Från jorden, som överallt, får vi bara en enda synvinkel av det svarta hålet.
Teamet trodde att de kanske skulle kunna övervinna detta problem eftersom gas beter sig på ett något förutsägbart sätt när den rör sig runt det svarta hålet. Tänk på analogin med att försöka fånga en 3D-bild av ett barn som bär ett innerslang runt midjan.
För att fånga en sådan bild med den traditionella NeRF-metoden skulle du behöva bilder tagna från flera vinklar medan barnet förblev stillastående. Men i teorin kunde du be barnet att rotera medan fotografen stod still och tog bilder.
De tidsinställda ögonblicksbilderna, i kombination med information om barnets rotationshastighet, skulle kunna användas för att rekonstruera 3D-scenen lika bra. På liknande sätt, genom att utnyttja kunskapen om hur gas rör sig på olika avstånd från ett svart hål, syftade forskarna till att lösa problemet med återuppbyggnad av 3D-flare med mätningar tagna från jorden över tid.
Med denna insikt i hand byggde teamet en version av NeRF som tar hänsyn till hur gas rör sig runt svarta hål. Men det behövde också överväga hur ljus böjer sig runt massiva föremål som svarta hål. Under ledning av medförfattaren Andrew Chael från Princeton University utvecklade teamet en datormodell för att simulera denna böjning, även känd som gravitationslinsning.
Med dessa överväganden på plats kunde den nya versionen av NeRF återställa strukturen för kretsande ljusa drag runt händelsehorisonten för ett svart hål. Det första proof-of-conceptet visade faktiskt lovande resultat på syntetiska data.
Men laget behövde några riktiga data. Det var där ALMA kom in. EHT:s nu berömda bild av Sgr A* baserades på data som samlades in den 6–7 april 2017, som var relativt lugna dagar i miljön kring det svarta hålet. Men astronomer upptäckte en explosiv och plötslig ljusning i omgivningen bara några dagar senare, den 11 april.
När teammedlemmen Maciek Wielgus från Max Planck Institute for Radio Astronomy i Tyskland gick tillbaka till ALMA-data från den dagen, märkte han en signal med en period som matchade den tid det skulle ta för en ljuspunkt på skivan att slutföra en bana runt Sgr A*. Teamet satte sig för att återställa 3D-strukturen för ljusningen runt Sgr A*.
ALMA är ett av de mest kraftfulla radioteleskopen i världen. Men på grund av det stora avståndet till det galaktiska centrumet (mer än 26 000 ljusår) har inte ens ALMA upplösningen att se Sgr A*s omedelbara omgivning. Vad ALMA mäter är ljuskurvor, som i huvudsak är videor av en enda flimrande pixel, som skapas genom att samla in allt radiovåglängdsljus som detekteras av teleskopet för varje observationsögonblick.
Att återställa en 3D-volym från en enpixelvideo kan tyckas omöjligt. Men genom att utnyttja ytterligare information om fysiken som förväntas för disken runt svarta hål, kunde teamet komma runt bristen på rumslig information i ALMA-data.
ALMA fångar inte bara en enda ljuskurva. Faktum är att det tillhandahåller flera sådana "videor" för varje observation eftersom teleskopet registrerar data som hänför sig till olika polarisationstillstånd av ljus. Precis som våglängd och intensitet är polarisation en grundläggande egenskap hos ljus och representerar vilken riktning den elektriska komponenten i en ljusvåg är orienterad med avseende på vågens allmänna färdriktning.
"Vad vi får från ALMA är två polariserade enpixelvideor", säger Bouman, som också är en Rosenberg Scholar och en utredare av Heritage Medical Research Institute. "Det polariserade ljuset är faktiskt riktigt, riktigt informativt."
Nyligen genomförda teoretiska studier tyder på att heta fläckar som bildas i gasen är starkt polariserade, vilket innebär att ljusvågorna som kommer från dessa heta fläckar har en distinkt föredragen orienteringsriktning. Detta i motsats till resten av gasen, som har en mer slumpmässig eller förvrängd orientering. Genom att samla in de olika polarisationsmätningarna gav ALMA-data forskarna information som kunde hjälpa till att lokalisera var emissionen kom ifrån i 3D-rymden.
För att ta reda på en trolig 3D-struktur som förklarade observationerna utvecklade teamet en uppdaterad version av sin metod som inte bara inkorporerade fysiken för ljusböjning och dynamik runt ett svart hål utan också den polariserade emissionen som förväntas i hot spots som kretsar runt ett svart hål. I denna teknik representeras varje potentiell flarestruktur som en kontinuerlig volym med hjälp av ett neuralt nätverk.
Detta gör det möjligt för forskarna att beräkningsmässigt utveckla den initiala 3D-strukturen av en hotspot över tiden när den kretsar runt det svarta hålet för att skapa en hel ljuskurva. De kunde sedan lösa den bästa initiala 3D-strukturen som, när den fortskred i tiden enligt svarta håls fysik, matchade ALMA-observationerna.
Resultatet är en video som visar medursrörelsen av två kompakta ljusa områden som spårar en bana runt det svarta hålet. – Det här är väldigt spännande, säger Bouman. "Det behövde inte komma ut på det här sättet. Det kunde ha varit godtycklig ljusstyrka spridd över hela volymen. Det faktum att det här ser mycket ut som de signaler som datorsimuleringar av svarta hål förutsäger är väldigt spännande."
Levis säger att arbetet var unikt tvärvetenskapligt:"Du har ett partnerskap mellan datavetare och astrofysiker, vilket är unikt synergetiskt. Tillsammans utvecklade vi något som är i framkant inom båda områdena – både utvecklingen av numeriska koder som modellerar hur ljus sprider sig runt omkring svarta hål och beräkningsavbildningsarbetet som vi gjorde."
Forskarna noterar att detta bara är början för denna spännande teknik. "Det här är en riktigt intressant tillämpning av hur AI och fysik kan mötas för att avslöja något som annars är osynligt", säger Levis. "Vi hoppas att astronomer kan använda det på andra rika tidsseriedata för att belysa komplexa dynamiker hos andra sådana händelser och för att dra nya slutsatser."
Mer information: Aviad Levis, Orbital polarimetrisk tomografi av en flare nära det supermassiva svarta hålet Sagittarius A*, Nature Astronomy (2024). DOI:10.1038/s41550-024-02238-3. www.nature.com/articles/s41550-024-02238-3
Journalinformation: Naturastronomi
Tillhandahålls av California Institute of Technology
