מציץ לתהום: בינה מלאכותית ופיזיקה מתאחדים כדי לחשוף התלקחות של חור שחור בתלת מימד

שימוש בבינה מלאכותית ו אלמא נתונים, מדענים יוצרים סרטון תלת מימד פורץ דרך של התלקחויות מסביב למרכז הגלקסיה שלנו חור שחורהמציע תובנות חדשות על הסביבה הדינמית שלה.

מדענים מאמינים שהסביבה שמקיפה מיד חור שחור היא סוערת, וכוללת גז ממוגנט חם שמסתחרר בדיסק במהירויות ובטמפרטורות אדירות. תצפיות אסטרונומיות מראות שבתוך דיסק כזה מתרחשות התלקחויות מסתוריות עד כמה פעמים ביום, מתבהרות זמנית ואז מתפוגגות. כעת, צוות בראשות מדעני קלטק השתמש בנתוני טלסקופ ובטכניקת ראייה ממוחשבת של בינה מלאכותית (AI) כדי לשחזר את הסרטון התלת מימדי הראשון שמראה איך זיקוקים כאלה יכולים להיראות סביב קשת A* (Sgr A*, מבוטא sadge-ay -כוכב), החור השחור הסופר-מאסיבי בלב שלנו שביל החלב גָלַקסִיָה.

מבנה ההתלקחות התלת-ממדי כולל שני מאפיינים בהירים וקומפקטיים הממוקמים כ-75 מיליון קילומטרים (או מחצית המרחק בין כדור הארץ לשמש) ממרכז החור השחור. הוא מבוסס על נתונים שנאספו על ידי מערך המילימטר הגדול של Atacama (ALMA) בצ'ילה על פני תקופה של 100 דקות ישירות לאחר התפרצות שנראתה בנתוני רנטגן ב-11 באפריל 2017.

"זהו השחזור התלת מימדי הראשון של גז מסתובב קרוב לחור שחור", אומרת קייטי בומן, פרופסור למדעי המחשוב והמתמטיקה, הנדסת חשמל ואסטרונומיה ב-Caltech, שקבוצתה הובילה את המאמץ המתואר במאמר חדש שפורסם היום (22 באפריל) ב אסטרונומיה של הטבע.

אביעד ליוויס, חוקר פוסט-דוקטורט בקבוצתו של בומן והמחבר הראשי של המאמר החדש, מדגיש כי הסרטון אמנם אינו סימולציה, אך הוא גם אינו תיעוד ישיר של אירועים כפי שהם התרחשו. "זהו שחזור המבוסס על המודלים שלנו של פיזיקת החורים השחורים. עדיין יש הרבה אי ודאות הקשורה לזה כי זה מסתמך על המודלים האלה מדויקים", הוא אומר.

בהתבסס על נתוני טלסקופ רדיו ומודלים של פיזיקת חורים שחורים, צוות בראשות Caltech השתמש ברשתות עצביות כדי לשחזר תמונה תלת-ממדית שמראה כיצד מתלקחות חומר נפץ בדיסק הגז סביב החור השחור הסופר-מאסיבי שלנו, קשת A* (Sgr A) *), עשוי להיראות. כאן, המבנה התלת-ממדי המשוחזר נראה מזווית קבועה כשהמודל מתפתח בטווח של כ-100 דקות, מראה את הנתיב ששתי התכונות הבהירות עוקבות אחרי החור השחור. קרדיט: א.ליוויס/א. שייל/ק. בומן/מ. וילגוס/פ. Srinivasan

שימוש בבינה מלאכותית מיודעת על ידי הפיזיקה כדי להבין מבנים תלת מימדיים אפשריים

כדי לשחזר את התמונה התלת-ממדית, הצוות היה צריך לפתח כלי הדמיה חישוביים חדשים שיכולים, למשל, להסביר את כיפוף האור עקב עקמומיות המרחב-זמן סביב אובייקטים בעלי כוח משיכה עצום, כמו חור שחור.

הצוות הרב-תחומי שקל לראשונה אם ניתן יהיה ליצור סרטון תלת-ממד של התלקחויות סביב חור שחור ביוני 2021. שיתוף הפעולה של טלסקופ אופק אירועים (EHT), שבו חברים בומן וליוויס, כבר פרסם את התמונה הראשונה של חור שחור סופר מסיבי בליבה של גלקסיה רחוקה, הנקראת M87, ועבד לעשות את אותו הדבר עם נתוני EHT מ-Sgr A*. Pratul Srinivasan מ-Google Research, מחבר שותף במאמר החדש, ביקר באותה עת את הצוות ב-Caltech. הוא עזר לפתח טכניקה המכונה שדות קרינה עצביים (NeRF) שהחלה אז רק לשמש את החוקרים; מאז הייתה לו השפעה עצומה על גרפיקה ממוחשבת. NeRF משתמש בלמידה עמוקה כדי ליצור ייצוג תלת-ממדי של סצנה המבוססת על תמונות דו-ממדיות. הוא מספק דרך לצפות בסצנות מזוויות שונות, גם כאשר רק תצוגות מוגבלות של הסצנה זמינות.

הצוות תהה אם, על ידי בנייה על ההתפתחויות האחרונות בייצוגי רשתות עצביות, הם יכולים לשחזר את הסביבה התלת-ממדית סביב חור שחור. האתגר הגדול שלהם: מכדור הארץ, כמו בכל מקום, אנו מקבלים רק נקודת מבט אחת של החור השחור.

כאן, המבנה התלת-ממדי המשוחזר מוצג בפעם אחת (9:20 UT), ישירות לאחר שזוהתה התלקחות בקרני רנטגן, כשהתצוגה מסתובבת כדי לעזור לדמיין את המבנה מכל הזוויות. קרדיט: א.ליוויס/א. שייל/ק. בומן/מ. וילגוס/פ. Srinivasan

הצוות חשב שאולי יצליחו להתגבר על הבעיה הזו מכיוון שהגז מתנהג בצורה מעט צפויה בזמן שהוא נע סביב החור השחור. שקול את האנלוגיה של ניסיון לצלם תמונה תלת מימדית של ילד לובש צינור פנימי סביב המותניים. כדי לצלם תמונה כזו בשיטת NeRF המסורתית, תזדקק לתמונות שצולמו ממספר זוויות בזמן שהילד נשאר נייח. אבל בתיאוריה, אתה יכול לבקש מהילד להסתובב בזמן שהצלם נשאר נייח לצלם. ניתן להשתמש בצילומי המצב המתוזמנים, בשילוב עם מידע על מהירות הסיבוב של הילד, כדי לשחזר את סצינת התלת-ממד באותה מידה. באופן דומה, על ידי מינוף הידע כיצד גז נע במרחקים שונים מחור שחור, החוקרים שאפו לפתור את בעיית שחזור ההתלקחות התלת-ממדית באמצעות מדידות שנלקחו מכדור הארץ לאורך זמן.

עם התובנה הזו ביד, הצוות בנה גרסה של NeRF שלוקחת בחשבון איך גז נע סביב חורים שחורים. אבל זה גם צריך לשקול כיצד האור מתכופף סביב עצמים מסיביים כמו חורים שחורים. בהדרכתו של מחבר שותף אנדרו צ'אל מ אוניברסיטת פרינסטוןהצוות פיתח מודל ממוחשב כדי לדמות את הכיפוף הזה, המכונה גם עדשת כבידה.

עם שיקולים אלה, הגרסה החדשה של NeRF הצליחה לשחזר את המבנה של מאפיינים בהירים שמסתובבים סביב אופק האירועים של חור שחור. ואכן, ההוכחה הראשונית של הקונספט הראתה תוצאות מבטיחות על נתונים סינתטיים.

התלקחות סביב Sgr A* ללמוד

אבל הצוות היה זקוק לכמה נתונים אמיתיים. שם נכנסה ALMA לתמונה. התמונה המפורסמת כעת של Sgr A* של ה-EHT התבססה על נתונים שנאספו ב-6-7 באפריל 2017, שהיו ימים רגועים יחסית בסביבה המקיפה את החור השחור. אבל אסטרונומים זיהו חומר נפץ והבהרה פתאומית בסביבה רק כמה ימים לאחר מכן, ב-11 באפריל. כשחבר הצוות Maciek Wielgus ממכון מקס פלאנק לאסטרונומיה רדיו בגרמניה חזר לנתוני ALMA מאותו יום, הוא הבחין באות עם תקופה שתואמת את הזמן שייקח לנקודה בהירה בתוך הדיסק להשלים מסלול סביב Sgr A*. הצוות יצא לשחזר את המבנה התלת-ממדי של ההבהרה הזו סביב Sgr A*.

ALMA הוא אחד מטלסקופי הרדיו החזקים ביותר בעולם. עם זאת, בגלל המרחק העצום למרכז הגלקטי (יותר מ-26,000 שנות אור), אפילו ל-ALMA אין את הרזולוציה לראות את הסביבה הקרובה של Sgr A*. מה ש-ALMA מודד הם עקומות אור, שהן בעצם סרטונים של פיקסל מהבהב בודד, שנוצרו על ידי איסוף כל האור באורך גל הרדיו שזוהה על ידי הטלסקופ עבור כל רגע של תצפית.

שחזור נפח תלת-ממד מסרטון של פיקסל בודד עשוי להיראות בלתי אפשרי. עם זאת, על ידי מינוף פיסת מידע נוספת על הפיזיקה שצפויה לדיסק סביב חורים שחורים, הצוות הצליח לעקוף את היעדר מידע מרחבי בנתוני ALMA.

אור מקוטב חזק מהאבקות סיפק רמזים

ALMA לא לוכדת רק עקומת אור אחת. למעשה, הוא מספק כמה "סרטונים" כאלה לכל תצפית מכיוון שהטלסקופ מתעד נתונים הקשורים למצבי קיטוב שונים של אור. כמו אורך גל ועוצמה, קיטוב הוא תכונה בסיסית של האור ומייצג לאיזה כיוון מכוון הרכיב החשמלי של גל אור ביחס לכיוון התנועה הכללי של הגל. "מה שאנחנו מקבלים מ-ALMA הוא שני סרטוני פיקסל בודדים מקוטבים", אומר בומן, שהוא גם מלומד רוזנברג וחוקר במכון למחקר רפואי מורשת. "האור המקוטב הזה הוא למעשה ממש ממש אינפורמטיבי."

מחקרים תיאורטיים עדכניים מצביעים על כך שנקודות חמות שנוצרות בתוך הגז מקוטבות חזק, כלומר לגלי האור המגיעים מנקודות חמות אלה יש כיוון כיוון מועדף מובהק. זאת בניגוד לשאר הגז, שיש לו כיוון אקראי או מקושקש יותר. על ידי איסוף מדידות הקיטוב השונות, נתוני ה-ALMA נתנו למדענים מידע שיכול לעזור לאתר מהיכן מגיעה הפליטה בחלל התלת-ממדי.

היכרות עם טומוגרפיה פולארימטרית אורביטלית

כדי להבין מבנה תלת מימדי סביר שהסביר את התצפיות, הצוות פיתח גרסה מעודכנת של השיטה שלו שלא רק שילבה את הפיזיקה של כיפוף האור והדינמיקה סביב חור שחור, אלא גם את הפליטה המקוטבת הצפויה בנקודות חמות המקיפות חור שחור. בטכניקה זו, כל מבנה התלקחות פוטנציאלי מיוצג כנפח רציף באמצעות רשת עצבית. זה מאפשר לחוקרים להתקדם מבחינה חישובית את המבנה התלת-ממדי הראשוני של נקודה חמה לאורך זמן כאשר הוא מקיף את החור השחור כדי ליצור עקומת אור שלמה. לאחר מכן הם יכלו לפתור את המבנה התלת-ממדי הראשוני הטוב ביותר שכאשר התקדם בזמן לפי פיזיקת החורים השחורים, התאים לתצפיות ALMA.

התוצאה היא סרטון המראה את תנועת כיוון השעון של שני אזורים בהירים קומפקטיים שמתחקים אחר נתיב סביב החור השחור. "זה מאוד מרגש", אומר בומן. "זה לא היה צריך לצאת ככה. הייתה יכולה להיות בהירות שרירותית מפוזרת בכל הווליום. העובדה שזה דומה מאוד להתלקחויות שהדמיות מחשב של חורים שחורים מנבאות היא מאוד מרגשת".

ליוויס אומר שהעבודה הייתה בינתחומית ייחודית: "יש לך שותפות בין מדעני מחשב ואסטרופיזיקאים, שהיא סינרגטית באופן ייחודי. יחד, פיתחנו משהו חדשני בשני התחומים – הן הפיתוח של קודים מספריים המדגימים כיצד האור מתפשט סביב חורים שחורים והן עבודת ההדמיה החישובית שעשינו".

המדענים מציינים שזוהי רק ההתחלה לטכנולוגיה המרגשת הזו. "זהו יישום ממש מעניין של איך בינה מלאכותית ופיזיקה יכולים להתאחד כדי לחשוף משהו שלא נראה אחרת", אומר ליוויס. "אנו מקווים שהאסטרונומים יוכלו להשתמש בו על נתונים עשירים אחרים של סדרות זמן כדי לשפוך אור על דינמיקה מורכבת של אירועים כאלה ולהסיק מסקנות חדשות."

הכותרת החדשה של המאמר היא "טומוגרפיה פולארימטרית מסלולית של התלקחות ליד החור השחור הסופר-מאסיבי של מזל קשת A*".

העבודה נתמכה על ידי מימון מהקרן הלאומית למדע, קרן ההרפתקאות החדשות של Carver Mead ב-Caltech, יוזמת פרינסטון כבידה ומועצת המחקר האירופית.