KI und Physik vereinen sich, um die 3D-Struktur eines Ausschlags um ein Schwarzes Loch zu enthüllen

Wissenschaftler gehen davon aus, dass die Umgebung eines Schwarzen Lochs turbulent ist und heißes magnetisiertes Gas mit enormer Geschwindigkeit und Temperatur spiralförmig in eine Scheibe strömt. Astronomische Beobachtungen zeigen, dass es im Inneren einer solchen Scheibe bis zu mehrmals am Tag zu mysteriösen Ausbrüchen kommt, die sich vorübergehend aufhellen und dann wieder verblassen.

Nun nutzte ein von Caltech-Wissenschaftlern geleitetes Team Teleskopdaten und eine Computer-Vision-Technik mit künstlicher Intelligenz (KI), um das erste dreidimensionale Video abzurufen, das zeigt, wie solche Flares um Sagittarius A * (Sgr A*), das supermassereiche Schwarze Loch, aussehen könnten . im Herzen unserer eigenen Galaxie, der Milchstraße.

Die 3D-Flare-Struktur weist zwei helle, kompakte Strukturen auf, die etwa 75 Millionen Kilometer (oder die halbe Entfernung zwischen Erde und Sonne) vom Zentrum des Schwarzen Lochs entfernt liegen. Es basiert auf Daten, die das Atacama Large Millimeter Array (ALMA) in Chile über einen Zeitraum von 100 Minuten direkt nach einem in Röntgendaten vom 11. April 2017 beobachteten Ausbruch gesammelt hat.

„Dies ist die erste dreidimensionale Rekonstruktion eines rotierenden Gases in der Nähe eines Schwarzen Lochs“, sagt Katie Bouman, Assistenzprofessorin für Computer- und Mathematikwissenschaften, Elektrotechnik und Astronomie am Caltech, deren Gruppe die in einem in veröffentlichten Artikel beschriebenen Bemühungen leitete Natürliche Astronomie mit dem Titel „Orbitale polarimetrische Tomographie einer Eruption in der Nähe des supermassereichen Schwarzen Lochs Sagittarius A*“.

Aviad Levis, Postdoktorand in Boumans Gruppe und Hauptautor der Arbeit, weist darauf hin, dass es sich bei dem Video zwar nicht um eine Simulation, aber auch nicht um eine direkte Aufzeichnung der Ereignisse handelt, wie sie stattgefunden haben. „Dies ist eine Rekonstruktion, die auf unseren Modellen der Physik Schwarzer Löcher basiert. Damit ist noch viel Unsicherheit verbunden, da sie von der Genauigkeit dieser Modelle abhängt“, sagt er.

Einsatz physikinformierter KI, um mögliche 3D-Strukturen zu verstehen

Um das 3D-Bild zu rekonstruieren, musste das Team neue Computer-Bildgebungswerkzeuge entwickeln, die beispielsweise die Krümmung des Lichts aufgrund der Krümmung der Raumzeit um Objekte wie ein Schwarzes Loch berücksichtigen könnten.

Das multidisziplinäre Team untersuchte zunächst im Juni 2021, ob es möglich wäre, ein 3D-Video von Flares um ein Schwarzes Loch zu erstellen. Die Event Horizon Telescope (EHT)-Kollaboration, der Bouman und Levis angehören, hatte bereits das erste Bild davon veröffentlicht supermassereiches Schwarzes Loch im Herzen einer fernen Galaxie namens M87 und arbeitete daran, dasselbe mit EHT-Daten von Sgr A* zu erreichen.

Pratul Srinivasan von Google Research, Mitautor des neuen Papiers, besuchte zu dieser Zeit das Caltech-Team. Er hatte an der Entwicklung einer Technik namens Neural Radiance Fields (NeRF) mitgewirkt, die gerade erst von Forschern eingesetzt wurde; Seitdem hatte er einen großen Einfluss auf die Computergrafik. NeRF nutzt Deep Learning, um eine 3D-Darstellung einer Szene auf der Grundlage von 2D-Bildern zu erstellen. Damit können Sie Szenen aus verschiedenen Blickwinkeln betrachten, selbst wenn nur begrenzte Ansichten der Szene verfügbar sind.

Das Team fragte sich, ob es auf der Grundlage dieser jüngsten Entwicklungen bei der Darstellung neuronaler Netzwerke die 3D-Umgebung um ein Schwarzes Loch rekonstruieren könnte. Ihre große Herausforderung: Von der Erde aus haben wir, wie überall sonst auch, nur einen Blickwinkel auf das Schwarze Loch.

Das Team glaubte, dieses Problem möglicherweise lösen zu können, da sich das Gas einigermaßen vorhersehbar verhält, wenn es sich um das Schwarze Loch bewegt. Betrachten Sie den Vergleich mit dem Versuch, ein 3D-Bild eines Kindes aufzunehmen, das einen Schlauch um die Taille trägt.

Um ein solches Bild mit der herkömmlichen NeRF-Methode aufzunehmen, müssten Sie Fotos aus mehreren Blickwinkeln aufnehmen, während das Kind still bleibt. Aber theoretisch könnten wir das Kind bitten, sich umzudrehen, während der Fotograf still bleibt, um Bilder zu machen.

Die zeitgesteuerten Schnappschüsse, kombiniert mit Informationen über die Rotationsgeschwindigkeit des Kindes, könnten auch zur Rekonstruktion der 3D-Szene verwendet werden. Durch die Nutzung des Wissens darüber, wie sich Gas in unterschiedlichen Entfernungen von einem Schwarzen Loch bewegt, versuchten die Forscher, das Problem der Rekonstruktion von 3D-Fackeln anhand von Messungen zu lösen, die von der Erde aus im Laufe der Zeit durchgeführt wurden.

Mit diesen Informationen ausgestattet, entwickelte das Team eine Version von NeRF, die berücksichtigt, wie sich Gas um Schwarze Löcher bewegt. Es musste aber auch berücksichtigt werden, wie sich Licht um massive Objekte wie Schwarze Löcher beugt. Unter der Leitung von Co-Autor Andrew Chael von der Princeton University entwickelte das Team ein Computermodell zur Simulation dieser Krümmung, die auch als Gravitationslinseneffekt bezeichnet wird.

Mithilfe dieser Überlegungen konnte die neue Version von NeRF die Struktur heller Elemente wiederherstellen, die den Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs umkreisen. Tatsächlich zeigte der erste Proof of Concept vielversprechende Ergebnisse bei synthetischen Daten.

Eine Eruption um Sgr A* zum Studieren

Aber das Team brauchte echte Daten. Hier kam ALMA ins Spiel. Das mittlerweile berühmte Bild von Sgr A* durch das EHT basierte auf Daten, die am 6. und 7. April 2017 gesammelt wurden, was relativ ruhige Tage in der Umgebung des Schwarzen Lochs waren. Doch einige Tage später, am 11. April, entdeckten Astronomen eine plötzliche, explosionsartige Aufhellung in der Umgebung.

Als Maciek Wielgus, ein Teammitglied am Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Deutschland, zu den ALMA-Daten dieses Tages zurückkehrte, bemerkte er ein Signal mit einer Periode, die der Zeit entsprach, die ein heller Fleck bis ins Innere der Scheibe benötigen würde, um eine Umlaufbahn zu vollenden um Sgr A*. Das Team machte sich daran, die 3D-Struktur dieser Aufhellung um Sgr A* wiederherzustellen.

ALMA ist eines der leistungsstärksten Radioteleskope der Welt. Aufgrund seiner großen Entfernung vom galaktischen Zentrum (mehr als 26.000 Lichtjahre) verfügt jedoch selbst ALMA nicht über die Auflösung, um die unmittelbare Umgebung von Sgr A* zu sehen. Was ALMA misst, sind Lichtkurven, bei denen es sich im Wesentlichen um Videos eines einzelnen flackernden Pixels handelt, die durch die Sammlung des gesamten vom Teleskop für jeden Beobachtungsmoment erfassten Radiowellenlängenlichts erstellt werden.

Die Wiederherstellung eines 3D-Volumens aus einem Einzelpixelvideo mag unmöglich erscheinen. Durch die Nutzung zusätzlicher Informationen über die erwartete Physik der Scheibe um Schwarze Löcher konnte das Team jedoch den Mangel an räumlichen Informationen in den ALMA-Daten umgehen.

Hinweise lieferte stark polarisiertes Licht von Flares

ALMA erfasst nicht nur eine einzelne Lichtkurve. Tatsächlich liefert es für jede Beobachtung mehrere solcher „Videos“, da das Teleskop Daten zu den verschiedenen Polarisationszuständen des Lichts aufzeichnet. Polarisation ist wie Wellenlänge und Intensität eine grundlegende Eigenschaft des Lichts und stellt die Richtung dar, in der die elektrische Komponente einer Lichtwelle relativ zur allgemeinen Ausbreitungsrichtung der Welle ausgerichtet ist.

„Was wir von ALMA erhalten, sind zwei polarisierte Einzelpixelvideos“, sagt Bouman, der auch Rosenberg Fellow und Forscher am Heritage Medical Research Institute ist. „Dieses polarisierte Licht ist tatsächlich sehr aufschlussreich.“

Neuere theoretische Studien legen nahe, dass sich im Gas bildende Hot Spots stark polarisiert sind, was bedeutet, dass die von diesen Hot Spots ausgehenden Lichtwellen eine eindeutige Vorzugsrichtung haben. Dies steht im Gegensatz zum Rest des Gases, das eine eher zufällige oder durcheinandergebrachte Ausrichtung aufweist. Durch die Zusammenführung der verschiedenen Polarisationsmessungen lieferten die ALMA-Daten den Wissenschaftlern Informationen, die bei der Lokalisierung helfen könnten, woher die Emission im 3D-Raum kam.

Überblick über die orbitale polarimetrische Tomographie

Um eine wahrscheinliche 3D-Struktur zu bestimmen, die die Beobachtungen erklärt, entwickelte das Team eine aktualisierte Version seiner Methode, die nicht nur die Physik der Krümmung und Dynamik des Lichts um ein Schwarzes Loch herum berücksichtigt, sondern auch die polarisierte Emission, die in Hot Spots um ein Schwarzes Loch zu erwarten ist . Bei dieser Technik wird jede potenzielle Eruptionsstruktur mithilfe eines neuronalen Netzwerks als kontinuierliches Volumen dargestellt.

Dadurch können Forscher die anfängliche 3D-Struktur eines Hotspots im Laufe der Zeit rechnerisch weiterentwickeln, während er das Schwarze Loch umkreist, um eine vollständige Lichtkurve zu erzeugen. Anschließend konnten sie die beste anfängliche 3D-Struktur finden, die im Laufe der Zeit gemäß der Physik Schwarzer Löcher mit den ALMA-Beobachtungen übereinstimmte.

Das Ergebnis ist ein Video, das die Bewegung zweier kompakter heller Regionen im Uhrzeigersinn zeigt, die einen Pfad um das Schwarze Loch zeichnen. „Es ist sehr aufregend“, sagt Bouman. „So hätte es nicht passieren müssen. Es hätte eine willkürliche Helligkeitsstreuung im gesamten Volumen geben können. Die Tatsache, dass dies den durch Computersimulationen von Schwarzen Löchern vorhergesagten Flares sehr ähnelt, ist sehr aufregend.“

Laut Levis war die Arbeit besonders interdisziplinär: „Es gibt eine Partnerschaft zwischen Informatikern und Astrophysikern, die besonders synergetisch ist.“ Gemeinsam haben wir in beiden Bereichen etwas Innovatives entwickelt: sowohl die Entwicklung numerischer Codes, die modellieren, wie sich Licht um Schwarze Löcher ausbreitet, als auch die von uns durchgeführte rechnerische Bildgebungsarbeit. »

Wissenschaftler stellen fest, dass dies erst der Anfang dieser aufregenden Technologie ist. „Dies ist eine wirklich interessante Anwendung, wie KI und Physik zusammenkommen können, um etwas zu enthüllen, das sonst unsichtbar wäre“, sagt Levis. „Wir hoffen, dass Astronomen es auf andere umfangreiche Zeitreihendaten anwenden können, um Licht auf die komplexe Dynamik anderer solcher Ereignisse zu werfen und neue Schlussfolgerungen zu ziehen.“