Οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν τεχνητή νοημοσύνη για να δημιουργήσουν ένα τρισδιάστατο μοντέλο μιας ενεργειακής έκρηξης, ή έκλαμψης, που συνέβη γύρω από την κεντρική μαύρη τρύπα του Γαλαξία, το Sagittarius A* (Sgr A*). Αυτό το τρισδιάστατο μοντέλο θα μπορούσε να βοηθήσει τους επιστήμονες να αναπτύξουν μια σαφέστερη εικόνα του ταραχώδους περιβάλλοντος που συνήθως σχηματίζεται γύρω από τις υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες.
Το υλικό που στροβιλίζεται γύρω από το Sgr A* υπάρχει σε μια πεπλατυσμένη δομή που ονομάζεται «δίσκος προσαύξησης» και μπορεί να φουντώνει περιοδικά. Αυτές οι εκλάμψεις συμβαίνουν σε μια σειρά από μήκη κύματος φωτός, από ακτίνες Χ υψηλής ενέργειας έως υπέρυθρο φως χαμηλής ενέργειας και ραδιοκύματα.
Οι προσομοιώσεις υπερυπολογιστή υποδεικνύουν ότι μια έκλαμψη που παρατηρήθηκε από τη συστοιχία Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) στις 11 Απριλίου 2017 προήλθε από δύο φωτεινά μπαλώματα πυκνής ύλης στον δίσκο προσαύξησης Sgr A*, και τα δύο στραμμένα προς τη Γη. Αυτά τα φωτεινά σημεία στροβιλίζονται γύρω από την υπερμεγέθη μαύρη τρύπα, η οποία είναι περίπου 4,2 εκατομμύρια φορές η μάζα του Ήλιου και περίπου η μισή απόσταση από τη Γη και τον Ήλιο. Αυτό είναι περίπου 47 εκατομμύρια μίλια (75 εκατομμύρια χιλιόμετρα).
Σχετίζεται με: Νέα άποψη της υπερμεγέθους μαύρης τρύπας στην καρδιά του Γαλαξία μας υπονοεί ένα συναρπαστικό κρυφό χαρακτηριστικό
Η ανακατασκευή αυτών των φωτοβολίδων σε 3D από δεδομένα παρατήρησης δεν είναι εύκολη υπόθεση. Για να αντιμετωπίσει αυτό το πρόβλημα, η ομάδα με επικεφαλής τον επιστήμονα του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Καλιφόρνια, Aviad Levis, πρότεινε μια νέα τεχνική απεικόνισης που ονομάζεται «τροχιακή πολικομετρική τομογραφία». Η μέθοδος δεν είναι διαφορετική από την ιατρική αξονική τομογραφία ή αξονική τομογραφία που γίνονται σε νοσοκομεία σε όλο τον κόσμο.
«Η συμπαγής περιοχή γύρω από το γαλαξιακό κέντρο είναι ένα ακραίο μέρος όπου καυτό, μαγνητισμένο αέριο περιφέρεται γύρω από μια υπερμεγέθη μαύρη τρύπα με σχετικιστικές ταχύτητες [speeds approaching that of light]. «Αυτό το μοναδικό περιβάλλον οδηγεί σε εκρήξεις υψηλής ενέργειας γνωστές ως εκλάμψεις, οι οποίες αφήνουν παρατηρητικές υπογραφές στα μήκη κύματος ακτίνων Χ, υπέρυθρων και ραδιοφώνου», είπε ο Levis στο Space.com. «Πρόσφατα, οι θεωρητικοί πρότειναν αρκετούς μηχανισμούς για το σχηματισμό τέτοιων εκλάμψεων, ένας από τους οποίους είναι μέσω εξαιρετικά φωτεινών, συμπαγών περιοχών που σχηματίζονται ξαφνικά μέσα στον δίσκο προσαύξησης».
Το πιο σημαντικό αποτέλεσμα αυτής της εργασίας, πρόσθεσε, είναι η ανάκτηση της τρισδιάστατης δομής της φωτεινότητας του ραδιοφώνου γύρω από το Sgr A* αμέσως μετά την ανίχνευση εκλάμψεων.
Δημιουργήστε μια μαύρη τρύπα από ένα μόνο pixel
«Το Sgr A* βρίσκεται στην καρδιά του Γαλαξία μας, καθιστώντας τον την επόμενη υπερμεγέθη μαύρη τρύπα και τον κύριο υποψήφιο για τη μελέτη τέτοιων εκλάμψεων», είπε ο Levis. «Για να το κάνετε αυτό αποτελεσματικά, χρειάζεστε ακόμα λίγη τύχη όταν οι παρατηρήσεις του ALMA συμπίπτουν με μια έκλαμψη».
Εξήγησε ότι στις 11 Απριλίου 2017, η ALMA παρατήρησε το Sgr A* αμέσως μετά από μια βίαιη έκρηξη που καταγράφηκε σε ακτίνες Χ. Τα ραδιοφωνικά δεδομένα που αποκτήθηκαν από την ALMA είχαν ένα περιοδικό σήμα σύμφωνο με αυτό που θα αναμενόταν για μια τροχιά γύρω από το Sgr A*.
«Αυτό μας οδήγησε να αναπτύξουμε μια υπολογιστική προσέγγιση που θα μπορούσε να εξαγάγει την τρισδιάστατη δομή από τα δεδομένα χρονοσειρών που παρατηρήθηκαν από την ALMA», πρόσθεσε ο Levis. «Σε αντίθεση με την εικόνα του 2D Event Horizon Telescope (EHT) του Sgr A*, μας ενδιέφερε να ανακτήσουμε τον τρισδιάστατο όγκο, βασιζόμενοι στη φυσική μοντελοποίηση του τρόπου με τον οποίο το φως ταξιδεύει κατά μήκος καμπύλων τροχιών στο ισχυρό βαρυτικό πεδίο της κίνησης μιας μαύρης τρύπας.
Για να καταλήξουν στα αποτελέσματά τους, οι επιστήμονες εξέτασαν τη φυσική που προέρχεται από τη θεωρία της βαρύτητας του Άλμπερτ Αϊνστάιν και τη γενική θεωρία της σχετικότητας του 1915 και στη συνέχεια εφάρμοσαν αυτές τις έννοιες που περιβάλλουν τις υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες σε ένα νευρωνικό δίκτυο. Αυτό το δίκτυο χρησιμοποιήθηκε στη συνέχεια για τη δημιουργία του μοντέλου Sgr A*.
«Αυτή η εργασία είναι μια μοναδική συνεργασία μεταξύ αστρονόμων και επιστημόνων υπολογιστών, που προάγουν υπερσύγχρονα υπολογιστικά εργαλεία στους τομείς της τεχνητής νοημοσύνης και της βαρυτικής φυσικής, που το καθένα συνεισφέρει σημαντικό μέρος στο σύνολο σε αυτήν την πρώτη προσπάθεια αποκάλυψης της τρισδιάστατης ραδιοεκπομπής δομή γύρω από τον Sgr A. *», είπε ο Levis . «Το αποτέλεσμα δεν είναι μια φωτογραφία με την παραδοσιακή έννοια. Μάλλον, είναι μια τρισδιάστατη υπολογιστική εικόνα που εξάγεται από παρατηρήσεις χρονοσειρών, συνδέοντας ένα νευρωνικό δίκτυο με την αναμενόμενη φυσική του τρόπου με τον οποίο το αέριο περιφέρεται γύρω από τη μαύρη τρύπα και πώς εκπέμπεται η ακτινοβολία σύγχροτρον μέσα σε αυτήν.
Εξήγησε ότι η ομάδα τοποθέτησε υπολογιστικά τρισδιάστατες «εκπομπές» σε τροχιά γύρω από το Sgr A*, ξεκινώντας με μια τυχαία δομή. Χρησιμοποιώντας την ανίχνευση ακτίνων, η οποία αναφέρεται σε γραφικές προσομοιώσεις της φυσικής συμπεριφοράς του φωτός, ο Levis και οι συνεργάτες του μπόρεσαν να μοντελοποιήσουν πώς η ALMA θα έβλεπε τη δομή γύρω από το Sgr A* στο μέλλον. Αυτά τα μοντέλα εκτοξεύτηκαν 10 λεπτά μετά την έκρηξη, μετά 20 λεπτά αργότερα, 30 λεπτά αργότερα – και ούτω καθεξής.
«Η τεχνολογία των πεδίων νευρικής ακτινοβολίας και η γενική σχετικιστική ανίχνευση ακτίνων μας δίνει την ευκαιρία να αρχίσουμε να αλλάζουμε την τρισδιάστατη δομή μέχρι το μοντέλο να ταιριάζει με τις παρατηρήσεις», πρόσθεσε ο Levis.
Η ομάδα διαπίστωσε ότι αυτό παρείχε συμπεράσματα σχετικά με το περιβάλλον γύρω από το Sgr A* που στην πραγματικότητα είχαν προβλεφθεί από τη θεωρία, δείχνοντας ότι η φωτεινότητα συγκεντρώνεται σε πολλές μικρές περιοχές εντός του δίσκου προσαύξησης. Ωστόσο, ορισμένες πτυχές αυτής της δουλειάς ήταν έκπληξη για τον Levis και την υπόλοιπη ομάδα.
«Η μεγαλύτερη έκπληξη ήταν ότι μπορέσαμε να ανακτήσουμε την τρισδιάστατη δομή από παρατηρήσεις καμπύλης φωτός… ουσιαστικά ένα βίντεο ενός μόνο εικονοστοιχείου που τρεμοπαίζει», είπε ο ερευνητής. «Σκεφτείτε το: Αν σας έλεγα ότι μπορείτε να επαναφέρετε ένα βίντεο από ένα μόνο pixel, θα λέγατε ότι ακούγεται πρακτικά αδύνατο. Το κλειδί είναι ότι δεν επαναφέρουμε οποιοδήποτε βίντεο.
«Ανακτούμε την τρισδιάστατη δομή της εκπομπής γύρω από μια μαύρη τρύπα και μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε την αναμενόμενη βαρύτητα και τη φυσική εκπομπής για να περιορίσουμε την ανακατασκευή μας».
Ο Levis πρόσθεσε ότι το γεγονός ότι το ALMA μετρά όχι μόνο την ένταση του φωτός αλλά και την πόλωσή του έδωσε στην ομάδα ένα εξαιρετικά κατατοπιστικό σήμα με ενδείξεις σχετικά με την τρισδιάστατη δομή των φωτοβολίδων γύρω από το Sgr A*.
παρόμοιες αναρτήσεις
— Πώς μερικές μαύρες τρύπες γίνονται τόσο μεγάλες; Το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb μπορεί να έχει μια απάντηση
– Το λαμπρότερο κβάζαρ που έχει δει ποτέ τροφοδοτείται από μια μαύρη τρύπα που τρώει «έναν ήλιο την ημέρα».
—Τα «αστέρια της grava» που μοιάζουν με μαύρες τρύπες θα μπορούσαν να στοιβάζονται σαν ρωσικές κούκλες τσαγιού
Προχωρώντας προς τα εμπρός, είπε ο Levis, αυτός και η ομάδα σχεδιάζουν να εκτελέσουν την προσομοίωση αλλάζοντας παράλληλα τις παραμέτρους της φυσικής που χρησιμοποιούνται για τον περιορισμό του AI.
«Αυτά τα αποτελέσματα είναι ένα συναρπαστικό πρώτο βήμα που βασίζεται στην υπόθεση ότι το Sgr A* είναι μια μαύρη τρύπα της οποίας το περιβάλλον ακολουθεί τα προβλεπόμενα μοντέλα βαρύτητας και εκπομπής. η ακρίβεια του αποτελέσματός μας εξαρτάται από την εγκυρότητα αυτών των υποθέσεων», κατέληξε ο Levis. «Στο μέλλον, θα θέλαμε να χαλαρώσουμε αυτούς τους περιορισμούς για να επιτρέψουμε αποκλίσεις από την αναμενόμενη φυσική.
«Η προσέγγισή μας, η οποία αξιοποιεί τη συνέργεια μεταξύ της φυσικής και της τεχνητής νοημοσύνης, ανοίγει την πόρτα σε νέες και συναρπαστικές ερωτήσεις των οποίων οι απαντήσεις θα προωθήσουν περαιτέρω την κατανόησή μας για τις μαύρες τρύπες και το σύμπαν».
Τα αποτελέσματα της έρευνας της ομάδας δημοσιεύθηκαν τη Δευτέρα (22 Απριλίου) στο περιοδικό Nature Astronomy.