人工智能和物理学相结合揭示了黑洞周围爆发的耀斑的3D结构

科学家认为，黑洞周围的环境是动荡的，其特点是热磁化气体在圆盘中以极高的速度和温度旋转。天文观测表明，在这样一个圆盘内，神秘的耀斑每天会出现几次，暂时变亮，然后消失。

现在，由加州理工学院科学家领导的团队利用望远镜数据和人工智能(AI)计算机视觉技术恢复了第一个三维视频，显示了超大质量黑洞人马座A*(SgrA*)周围此类耀斑的样子在我们银河系的中心。

3D耀斑结构具有两个明亮、紧凑的特征，距离黑洞中心约7500万公里(或地球与太阳之间距离的一半)。它基于2017年4月11日X射线数据中智利阿塔卡马大型毫米波阵列(ALMA)在火山喷发后100分钟内收集的数据。

加州理工学院计算和数学科学、电气工程和天文学助理教授凯蒂·布曼(KatieBouman)表示：“这是首次对靠近黑洞旋转的气体进行三维重建。”她的团队领导了《自然天文学》上一篇论文中描述的这项工作。标题为“人马座A*超大质量黑洞附近耀斑的轨道偏振断层扫描”。

布曼小组的博士后学者、该论文的主要作者阿维亚德·莱维斯强调，虽然视频不是模拟，但它也不是对事件发生时的直接记录。“这是基于我们的黑洞物理模型的重建。与之相关的仍然存在很多不确定性，因为它依赖于这些模型的准确性，”他说。

使用基于物理学的人工智能来找出可能的3D结构

为了重建3D图像，该团队必须开发新的计算成像工具，例如，该工具可以解释由于黑洞等巨大重力物体周围时空弯曲而导致的光弯曲。

2021年6月，这个多学科团队首次考虑是否有可能制作黑洞周围耀斑的3D视频。布曼和李维斯所属的事件视界望远镜(EHT)合作组织已经发布了第一张黑洞图像。位于遥远星系M87核心的超大质量黑洞，正在努力利用SgrA*的EHT数据做同样的事情。

这篇新论文的合著者、谷歌研究中心的PratulSrinivasan当时正在加州理工学院访问该团队。他帮助开发了一种称为神经辐射场(NeRF)的技术，当时该技术刚刚开始被研究人员使用。此后它对计算机图形学产生了巨大的影响。NeRF使用深度学习根据2D图像创建场景的3D表示。它提供了一种从不同角度观察场景的方法，即使只有有限的场景视图也是如此。

该团队想知道，通过神经网络表示的最新进展，他们是否可以重建黑洞周围的3D环境。他们面临的巨大挑战：从地球上，就像在任何地方一样，我们只能得到黑洞的单一视角。

研究小组认为他们也许能够克服这个问题，因为气体在黑洞周围移动时的行为方式在某种程度上是可预测的。考虑一下尝试捕捉腰间佩戴内胎的儿童的3D图像的类比。

要使用传统的NeRF方法捕捉此类图像，您需要在孩子保持静止的情况下从多个角度拍摄照片。但理论上，你可以让孩子旋转，而摄影师保持静止拍照。

定时快照与有关儿童旋转速度的信息相结合，可以同样很好地重建3D场景。同样，通过利用气体如何在距黑洞不同距离处移动的知识，研究人员旨在通过从地球上随时间推移进行的测量来解决3D耀斑重建问题。

有了这一见解，该团队构建了NeRF的一个版本，该版本考虑了气体如何在黑洞周围移动。但它还需要考虑光线如何在黑洞等大质量物体周围弯曲。在普林斯顿大学合著者安德鲁·查尔的指导下，该团队开发了一种计算机模型来模拟这种弯曲，也称为引力透镜。

考虑到这些因素，新版本的NeRF能够恢复围绕黑洞事件视界的明亮特征的结构。事实上，最初的概念验证在合成数据上显示出了有希望的结果。

A*中士周围的耀斑可供研究

但团队需要一些真实的数据。这就是ALMA发挥作用的地方。EHT现在著名的SgrA*图像基于2017年4月6日至7日收集的数据，那是黑洞周围环境相对平静的日子。但几天后，即4月11日，天文学家发现周围环境发生了爆炸性的突然变亮。

当德国马克斯·普朗克射电天文研究所的团队成员MaciekWielgus回顾当天的ALMA数据时，他注意到一个信号，其周期与圆盘内的亮点完成绕一圈运行所需的时间相匹配。A*中士。该团队着手恢复SgrA*周围明亮区域的3D结构。

ALMA是世界上最强大的射电望远镜之一。然而，由于距离银河系中心很远(超过26,000光年)，即使是ALMA也没有能力看到SgrA*的直接周围环境。ALMA测量的是光变曲线，它本质上是单个闪烁像素的视频，是通过收集望远镜在每个观察时刻检测到的所有无线电波长光而创建的。

从单像素视频中恢复3D体积似乎是不可能的。然而，通过利用有关黑洞周围盘的物理特性的额外信息，该团队能够解决ALMA数据中空间信息缺乏的问题。

耀斑发出的强偏振光提供了线索

ALMA不仅仅捕获单个光变曲线。事实上，它为每次观测提供了几个这样的“视频”，因为望远镜记录了与光的不同偏振态相关的数据。与波长和强度一样，偏振是光的基本属性，代表光波的电分量相对于波的总体传播方向的方向。

“我们从ALMA得到的是两个偏光单像素视频，”布曼说，他也是罗森伯格学者和传统医学研究所研究员。“偏振光实际上非常非常丰富。”

最近的理论研究表明，气体内形成的热点是强偏振的，这意味着来自这些热点的光波具有明显的首选方向。这与其余气体形成对比，其余气体具有更随机或混乱的方向。通过收集不同的偏振测量结果，ALMA数据为科学家提供了有助于定位3D空间中发射源位置的信息。

轨道偏振断层扫描简介

为了找出解释观测结果的可能的3D结构，该团队开发了其方法的更新版本，该方法不仅结合了光弯曲和黑洞周围动力学的物理原理，还结合了围绕黑洞运行的热点中预期的偏振发射。在该技术中，每个潜在的耀斑结构都使用神经网络表示为连续体积。

这使得研究人员能够随着时间的推移计算热点的初始3D结构，因为它绕黑洞运行，以创建完整的光曲线。然后，他们可以求解最佳的初始3D结构，当根据黑洞物理学及时进展时，该结构与ALMA观测结果相匹配。

结果是一段视频，显示了两个紧凑的明亮区域的顺时针运动，这些区域沿着黑洞周围的路径移动。“这非常令人兴奋，”布曼说。“它不必以这种方式出现。整个体积中可能散布着任意的亮度。事实上，这看起来很像计算机模拟黑洞预测的耀斑，这一事实非常令人兴奋。”

莱维斯说，这项工作是独特的跨学科：“计算机科学家和天体物理学家之间建立了独特的协同合作关系。我们共同开发了在这两个领域都处于前沿的东西——都开发了模拟光如何传播的数字代码。黑洞和我们所做的计算成像工作。”

科学家们指出，这只是这项令人兴奋的技术的开始。“这是一个非常有趣的应用，人工智能和物理学如何结合在一起，揭示一些原本看不见的东西，”李维斯说。“我们希望天文学家可以将其用于其他丰富的时间序列数据，以阐明其他此类事件的复杂动态并得出新的结论。”