Ученые полагают, что среда, непосредственно окружающая черную дыру, является бурной, в ней присутствует горячий намагниченный газ, который вращается по спирали в виде диска с огромными скоростями и температурами. Астрономические наблюдения показывают, что внутри такого диска таинственные вспышки происходят до нескольких раз в день, временно усиливаясь, а затем затухая. Теперь команда ученых под руководством Калифорнийского технологического института использовала данные телескопа и технологию компьютерного зрения с использованием искусственного интеллекта (ИИ), чтобы восстановить первое трехмерное видео, показывающее, как могли бы выглядеть такие вспышки вокруг Стрельца А* (Sgr A*) - сверхмассивной черной дыры в сердце нашей галактики Млечный Путь. Трехмерная структура вспышки представляет собой два ярких компактных объекта, расположенных примерно в 75 миллионах километров (или половине расстояния между Землей и Солнцем) от центра черной дыры.
Он основан на данных, собранных с помощью большого миллиметрового телескопа Атакама (ALMA) в Чили в течение 100 минут непосредственно после извержения, наблюдавшегося на рентгеновских снимках 11 апреля 2017 года. "Это первая трехмерная реконструкция газа, вращающегося вблизи черной дыры", - говорит Кэти Боуман, доцент кафедры вычислительной техники и математики, электротехники и астрономии Калифорнийского технологического института, чья группа возглавляла работу, описанную в статье в Nature Astronomy под названием "Орбитальная поляриметрическая томография вспышки вблизи Черной дыры". Стрелец - Сверхмассивная черная дыра." Авиад Левис, аспирант из группы Боумана и ведущий автор статьи, подчеркивает, что, хотя видео не является симуляцией, оно также не является прямой записью событий в том виде, в каком они происходили. "Это реконструкция, основанная на наших моделях физики черных дыр. С этим все еще связана большая неопределенность, поскольку все зависит от точности этих моделей", - говорит он.
Чтобы восстановить 3D-изображение, команде пришлось разработать новые вычислительные инструменты для визуализации, которые могли бы, например, объяснить искривление света из-за искривления пространства-времени вокруг объектов с огромной гравитацией, таких как черная дыра. Многопрофильная команда впервые рассмотрела возможность создания 3D-видео вспышек вокруг черной дыры в июне 2021 года. Коллаборация Event Horizon Telescope (EHT), членами которой являются Боуман и Левис, уже опубликовала первое изображение сверхмассивной черной дыры в ядре далекой галактики под названием M87 и работает над тем, чтобы сделать то же самое с данными EHT от Sgr A*. Пратул Шринивасан (Pratul Srinivasan) из Google Research, соавтор новой статьи, в то время находился с визитом в Калифорнийском технологическом институте. Он помог разработать технику, известную как neural radiance fields (NeRF), которая тогда только начинала использоваться исследователями; с тех пор она оказала огромное влияние на компьютерную графику. NeRF использует глубокое обучение для создания 3D-представления сцены на основе 2D-изображений. Это позволяет наблюдать за сценами под разными углами, даже если доступны только ограниченные виды сцены.
Команда задавалась вопросом, смогут ли они, опираясь на последние разработки в области нейронных сетей, воссоздать трехмерную среду вокруг черной дыры. Их главная проблема: с Земли, как и из любого другого места, мы получаем только одну точку обзора черной дыры. Команда ученых подумала, что, возможно, им удастся преодолеть эту проблему, поскольку поведение газа при движении вокруг черной дыры в некоторой степени предсказуемо. Рассмотрим аналогию с попыткой сделать 3D-изображение ребенка, у которого на талии надета внутренняя трубка. Чтобы сделать такой снимок традиционным методом NeRF, вам понадобятся фотографии, сделанные с разных ракурсов, в то время как ребенок остается неподвижным. Но теоретически вы могли бы попросить ребенка поворачиваться, пока фотограф остается неподвижным, делая снимки. Синхронизированные снимки в сочетании с информацией о скорости вращения ребенка могут быть использованы для столь же точной реконструкции 3D-сцены. Аналогичным образом, используя знания о том, как газ движется на разных расстояниях от черной дыры, исследователи стремились решить проблему трехмерной реконструкции вспышки с помощью измерений, проводимых с Земли с течением времени.
Исходя из этого, команда разработала версию NeRF, которая учитывает движение газа вокруг черных дыр. Но также необходимо было учитывать, как свет огибает массивные объекты, такие как черные дыры. Под руководством соавтора Эндрю Чейла (Andrew Chael) из Принстонского университета команда разработала компьютерную модель для моделирования этого изгиба, также известного как гравитационное линзирование. С учетом этих соображений новая версия NeRF смогла восстановить структуру ярких объектов, вращающихся вокруг горизонта событий черной дыры. Действительно, первоначальное подтверждение концепции показало многообещающие результаты на синтетических данных. Но команде нужны были реальные данные. И тут на помощь пришла ALMA. Ставшее знаменитым изображение Sgr A*, сделанное EHT, было основано на данных, собранных 6-7 апреля 2017 года, когда в окружающей черную дыру среде было относительно спокойно. Но всего через несколько дней, 11 апреля, астрономы обнаружили взрывное и внезапное свечение в окрестностях.
Когда член команды Мачек Вельгус (Maciek Wielgus) из Института радиоастрономии им. Макса Планка (Max Planck Institute for Radio Astronomy) в Германии вернулся к данным ALMA за тот день, он заметил сигнал с периодом, соответствующим времени, которое потребовалось бы яркому пятну на диске, чтобы завершить оборот вокруг Sgr A*. Команда решила восстановить трехмерную структуру этого просветления вокруг Sgr A*. ALMA - один из самых мощных радиотелескопов в мире. Однако из-за огромного расстояния до центра галактики (более 26 000 световых лет) даже у ALMA недостаточно разрешения, чтобы увидеть ближайшие окрестности Sgr A*. То, что измеряет ALMA, - это кривые блеска, которые, по сути, представляют собой видеозаписи одного мерцающего пикселя, которые создаются путем сбора всего света радиоволн, регистрируемого телескопом в каждый момент наблюдения. Восстановление трехмерного объема по однопиксельному видео может показаться невозможным. Однако, используя дополнительную информацию о физических свойствах диска вокруг черных дыр, команда смогла преодолеть недостаток пространственной информации в данных ALMA.
ALMA фиксирует не только одну кривую блеска. На самом деле, он предоставляет несколько таких "видеороликов" для каждого наблюдения, поскольку телескоп записывает данные, относящиеся к различным состояниям поляризации света. Подобно длине волны и интенсивности, поляризация является фундаментальным свойством света и определяет, в каком направлении ориентирована электрическая составляющая световой волны по отношению к общему направлению распространения волны. "То, что мы получаем от ALMA, - это два поляризованных однопиксельных видео", - говорит Боуман, который также является стипендиатом Розенберга и исследователем Института медицинских исследований Heritage. "Этот поляризованный свет на самом деле очень информативен". Недавние теоретические исследования показывают, что горячие точки, образующиеся в газе, сильно поляризованы, а это означает, что световые волны, исходящие от этих горячих точек, имеют четко выраженное предпочтительное направление ориентации. Это отличается от остального газа, который имеет более случайную или перемешанную ориентацию. Благодаря различным измерениям поляризации, данные ALMA предоставили ученым информацию, которая может помочь определить источник излучения в трехмерном пространстве.
Чтобы выяснить вероятную трехмерную структуру, объясняющую результаты наблюдений, команда разработала обновленную версию своего метода, которая включала не только физику изгиба света и динамику вокруг черной дыры, но и поляризованное излучение, ожидаемое в горячих точках, вращающихся вокруг черной дыры. В этом методе каждая потенциальная структура вспышки представляется в виде непрерывного объема с использованием нейронной сети. Это позволяет исследователям с помощью вычислений изменять исходную трехмерную структуру горячей точки с течением времени по мере ее обращения вокруг черной дыры, создавая полную кривую блеска. Затем они могли бы найти наилучшую исходную трехмерную структуру, которая, при изменении во времени в соответствии с физикой черных дыр, соответствовала наблюдениям ALMA. В результате получилось видео, демонстрирующее движение по часовой стрелке двух компактных ярких областей, которые описывают траекторию вокруг черной дыры. "Это очень интересно", - говорит Боуман. "Это не обязательно должно было получиться таким образом. Яркость могла быть произвольно распределена по всему объему. Тот факт, что это очень похоже на вспышки, которые предсказывают компьютерные модели черных дыр, очень интересен".
Левис говорит, что работа была исключительно междисциплинарной: "У вас есть партнерство между компьютерщиками и астрофизиками, которое является уникальным синергетическим. Вместе мы разработали нечто передовое в обеих областях — как в разработке числовых кодов, моделирующих распространение света вокруг черных дыр, так и в компьютерной визуализации, которую мы выполнили". Ученые отмечают, что это только начало для развития этой захватывающей технологии. "Это действительно интересное применение того, как искусственный интеллект и физика могут объединиться, чтобы раскрыть то, что в других случаях остается невидимым", - говорит Левис. "Мы надеемся, что астрономы смогут использовать его для анализа других обширных временных рядов, чтобы пролить свет на сложную динамику других подобных событий и сделать новые выводы".
