Caltech bilim adamları, yapay zeka tekniklerini ve ALMA teleskopundan elde edilen verileri kullanarak galaksimizin süper kütleli kara deliği olan Yay A* etrafındaki parlamaları gösteren ilk 3 boyutlu videoyu geliştirdiler. Astrofizik ve bilgisayar bilimini harmanlayan bu disiplinler arası çalışma, kara delik ortamlarını anlamak için yeni olanaklar sunuyor. (Sanatçının konsepti.) Kredi: SciTechDaily.com
Yapay zekayı kullanma ve ALMA Veriler sayesinde bilim insanları galaksimizin merkezi etrafındaki işaret fişeklerini gösteren çığır açıcı bir 3 boyutlu video oluşturuyor Kara delikdinamik ortamına yeni bakış açıları sunuyor.
Bilim adamları, bir kara deliği hemen çevreleyen ortamın çalkantılı olduğuna ve bir disk içinde muazzam hız ve sıcaklıklarda spiraller çizen sıcak mıknatıslanmış gazdan oluştuğuna inanıyor. Astronomik gözlemler, böyle bir diskin içinde, günde birkaç kez gizemli parlamaların meydana geldiğini, geçici olarak parlayıp sonra söndüğünü göstermektedir. Şimdi Caltech bilim adamlarının liderliğindeki bir ekip, Yay A* (Sgr A*, sadge-ay olarak telaffuz edilir) çevresinde bu tür işaret fişeklerinin nasıl görünebileceğini gösteren ilk üç boyutlu videoyu kurtarmak için teleskop verilerini ve yapay zeka (AI) bilgisayarlı görme tekniğini kullandı. -star), kendi kalbimizin merkezindeki süper kütleli kara delik Samanyolu gökada.
3 boyutlu parlama yapısı, kara deliğin merkezinden yaklaşık 75 milyon kilometre (veya Dünya ile Güneş arasındaki mesafenin yarısı kadar) uzaklıkta bulunan iki parlak, kompakt özelliğe sahiptir. Şili’deki Atacama Büyük Milimetre Dizisi (ALMA) tarafından 11 Nisan 2017’de X-ışını verilerinde görülen patlamanın hemen ardından 100 dakikalık bir süre boyunca toplanan verilere dayanmaktadır.
Caltech’te bilgisayar ve matematik bilimleri, elektrik mühendisliği ve astronomi alanlarında yardımcı doçent olan ve grubu bugün yayınlanan yeni bir makalede anlatılan çabaya öncülük eden Katie Bouman, “Bu, bir kara deliğin yakınında dönen gazın ilk üç boyutlu yeniden inşasıdır” diyor. (22 Nisan) Doğa Astronomi.
Bouman’ın grubunda doktora sonrası araştırmacı ve yeni makalenin başyazarı olan Aviad Levis, videonun bir simülasyon olmasa da, olayların meydana geldiği şekliyle doğrudan kaydedilmediğini de vurguluyor. “Bu, kara delik fiziği modellerimize dayanan bir yeniden yapılanmadır. Bununla ilgili hala çok fazla belirsizlik var çünkü bu modellerin doğruluğuna bağlı” diyor.
Caltech liderliğindeki bir ekip, radyo teleskop verilerine ve kara delik fiziği modellerine dayanarak, süper kütleli kara deliğimiz Yay A* (Sgr A) çevresindeki gaz diskinde patlayıcı alevlenmelerin nasıl olduğunu gösteren 3 boyutlu bir görüntüyü yeniden oluşturmak için sinir ağlarını kullandı. *), Görünebilir. Burada, yeniden oluşturulan 3 boyutlu yapı, model yaklaşık 100 dakikalık bir süre boyunca gelişirken sabit bir açıdan görülüyor ve iki parlak özelliğin kara deliğin etrafında izlediği yolu gösteriyor. Kredi bilgileri: A. Levis/A. Chael/K. Bouman/M. Wielgus/P. Srinivasan
Olası 3 boyutlu yapıları anlamak için fizikle desteklenen yapay zekayı kullanma
3D görüntüyü yeniden oluşturmak için ekibin, örneğin kara delik gibi muazzam yerçekimine sahip nesnelerin etrafındaki uzay-zamanın eğriliği nedeniyle ışığın bükülmesini açıklayabilecek yeni hesaplamalı görüntüleme araçları geliştirmesi gerekiyordu.
Multidisipliner ekip ilk olarak Haziran 2021’de bir kara deliğin etrafındaki işaret fişeklerinin 3 boyutlu videosunu oluşturmanın mümkün olup olmayacağını değerlendirdi. Bouman ve Levis’in de üyesi olduğu Olay Ufku Teleskobu (EHT) İşbirliği, kara deliğin ilk görüntüsünü zaten yayınlamıştı. M87 adı verilen uzak bir galaksinin merkezindeki süper kütleli kara delik, Sgr A*’dan gelen EHT verileriyle aynı şeyi yapmaya çalışıyordu. Yeni makalenin ortak yazarlarından biri olan Google Research’ten Pratul Srinivasan, o sırada Caltech’teki ekibi ziyaret ediyordu. O zamanlar araştırmacılar tarafından yeni yeni kullanılmaya başlanan, sinirsel parlaklık alanları (NeRF) olarak bilinen bir tekniğin geliştirilmesine yardımcı olmuştu; o zamandan beri bilgisayar grafikleri üzerinde büyük bir etkisi oldu. NeRF, 2D görüntülere dayalı bir sahnenin 3D temsilini oluşturmak için derin öğrenmeyi kullanır. Sahnenin yalnızca sınırlı görüntüleri mevcut olsa bile, sahneleri farklı açılardan gözlemlemenin bir yolunu sağlar.
Ekip, sinir ağı temsillerindeki bu son gelişmelerden yola çıkarak bir kara deliğin etrafındaki 3 boyutlu ortamı yeniden oluşturup oluşturamayacaklarını merak etti. Karşılaştıkları büyük zorluk: Her yerde olduğu gibi Dünya’dan da kara deliğin yalnızca tek bir bakış açısını görebiliyoruz.
Burada, yeniden oluşturulan 3 boyutlu yapı, X-ışınında bir parlama tespit edildikten hemen sonra, yapının tüm açılardan görselleştirilmesine yardımcı olmak için görünüm döndürülerek tek seferde (9:20 UT) gösteriliyor. Kredi bilgileri: A. Levis/A. Chael/K. Bouman/M. Wielgus/P. Srinivasan
Ekip, gazın kara deliğin etrafında hareket ederken oldukça öngörülebilir bir şekilde davranması nedeniyle bu sorunun üstesinden gelebileceklerini düşündü. Beline iç lastik takan bir çocuğun 3 boyutlu görüntüsünü yakalamaya çalışmanın benzetmesini düşünün. Böyle bir görüntüyü geleneksel NeRF yöntemiyle yakalamak için, çocuk hareketsizken birden fazla açıdan çekilmiş fotoğraflara ihtiyacınız olacaktır. Ancak teoride, fotoğrafçı sabit durarak fotoğraf çekerken çocuktan dönmesini isteyebilirsiniz. Zamanlanmış anlık görüntüler, çocuğun dönüş hızıyla ilgili bilgilerle birleştiğinde, 3 boyutlu sahneyi eşit derecede iyi bir şekilde yeniden oluşturmak için kullanılabilir. Benzer şekilde, gazın bir kara delikten farklı uzaklıklarda nasıl hareket ettiğine dair bilgiden yararlanan araştırmacılar, zaman içinde Dünya’dan alınan ölçümlerle 3 boyutlu parlama yeniden yapılandırma problemini çözmeyi amaçladı.
Ekip, bu öngörüyü elde ederek, gazın kara deliklerin etrafında nasıl hareket ettiğini hesaba katan bir NeRF versiyonunu geliştirdi. Ancak ışığın kara delikler gibi devasa nesnelerin etrafında nasıl büküldüğünü de dikkate alması gerekiyordu. Ortak yazar Andrew Chael’in rehberliğinde Princeton ÜniversitesiEkip, yerçekimsel merceklenme olarak da bilinen bu bükülmeyi simüle etmek için bir bilgisayar modeli geliştirdi.
Bu değerlendirmeler dikkate alındığında NeRF’nin yeni sürümü, bir kara deliğin olay ufku çevresinde dönen parlak özelliklerin yapısını kurtarmayı başardı. Gerçekten de, ilk kavram kanıtlaması sentetik veriler üzerinde umut verici sonuçlar gösterdi.
Çalışmak için Sgr A* civarında bir parlama
Ancak ekibin bazı gerçek verilere ihtiyacı vardı. İşte burada ALMA devreye giriyor. EHT’nin artık ünlü olan Sgr A* görüntüsü, kara deliği çevreleyen ortamda nispeten sakin günler olan 6-7 Nisan 2017’de toplanan verilere dayanıyordu. Ancak gökbilimciler sadece birkaç gün sonra, 11 Nisan’da, çevrede patlayıcı ve ani bir parlaklık tespit ettiler. Almanya’daki Max Planck Radyo Astronomi Enstitüsü’nden ekip üyesi Maciek Wielgus, o güne ait ALMA verilerine geri döndüğünde, bir sinyal fark ettim disk içindeki parlak bir noktanın Sgr A* etrafındaki yörüngesini tamamlaması için gereken süreye karşılık gelen bir periyot ile. Ekip, Sgr A* çevresindeki parlamanın 3 boyutlu yapısını kurtarmak için yola çıktı.
ALMA dünyanın en güçlü radyo teleskoplarından biridir. Ancak galaktik merkeze olan uzaklık nedeniyle (26.000 ışıkyılından fazla), ALMA bile Sgr A*’nın yakın çevresini görme çözünürlüğüne sahip değil. ALMA’nın ölçtüğü ışık eğrileri, aslında tek bir titreşen pikselin videoları olan ve her gözlem anı için teleskop tarafından tespit edilen radyo dalga boyu ışığın tamamının toplanmasıyla oluşturulan ışık eğrileridir.
Tek pikselli bir videodan 3 boyutlu bir birimin kurtarılması imkansız görünebilir. Ancak kara deliklerin etrafındaki disk için beklenen fizik hakkında ek bilgiden yararlanarak ekip, ALMA verilerindeki mekansal bilgi eksikliğinin üstesinden gelmeyi başardı.
İşaret fişeklerinden gelen güçlü polarize ışık ipuçları sağladı
ALMA yalnızca tek bir ışık eğrisini yakalamaz. Aslında her gözlem için buna benzer birkaç “video” sağlar çünkü teleskop, ışığın farklı polarizasyon durumlarıyla ilgili verileri kaydeder. Dalga boyu ve yoğunluk gibi polarizasyon da ışığın temel bir özelliğidir ve ışık dalgasının elektrik bileşeninin, dalganın genel ilerleme yönüne göre hangi yöne yönlendirildiğini temsil eder. Aynı zamanda Rosenberg Araştırmacısı ve Heritage Tıbbi Araştırma Enstitüsü Araştırmacısı olan Bouman, “ALMA’dan elde ettiğimiz şey iki polarize tek pikselli videodur” diyor. “Bu polarize ışık aslında gerçekten çok bilgilendirici.”
Son teorik çalışmalar, gazın içinde oluşan sıcak noktaların güçlü bir şekilde polarize olduğunu, yani bu sıcak noktalardan gelen ışık dalgalarının belirgin bir tercih edilen yönelim yönüne sahip olduğunu ileri sürüyor. Bu, daha rastgele veya karışık bir yönelime sahip olan gazın geri kalanının tersidir. ALMA verileri, farklı polarizasyon ölçümlerini toplayarak bilim insanlarına emisyonun 3 boyutlu uzayda nereden geldiğini belirlemeye yardımcı olabilecek bilgiler verdi.
Orbital Polarimetrik Tomografiye Giriş
Ekip, gözlemleri açıklayan olası bir 3 boyutlu yapıyı bulmak için, yalnızca ışığın bükülmesi fiziğini ve bir kara delik etrafındaki dinamikleri değil aynı zamanda bir kara deliğin yörüngesindeki sıcak noktalarda beklenen polarize emisyonu da içeren yönteminin güncellenmiş bir versiyonunu geliştirdi. Bu teknikte, her potansiyel parlama yapısı bir sinir ağı kullanılarak sürekli bir hacim olarak temsil edilir. Bu, araştırmacıların, bir sıcak noktanın ilk 3 boyutlu yapısını, tam bir ışık eğrisi oluşturmak için kara deliğin yörüngesinde dönerken zaman içinde hesaplamalı olarak ilerletmesine olanak tanır. Daha sonra kara delik fiziğine göre zaman içinde ilerlendiğinde ALMA gözlemleriyle eşleşen en iyi başlangıç 3 boyutlu yapısını çözebildiler.
Sonuçta kara deliğin etrafında bir yol izleyen iki kompakt parlak bölgenin saat yönündeki hareketini gösteren bir video ortaya çıktı. Bouman, “Bu çok heyecan verici” diyor. “Bu şekilde çıkması gerekmiyordu. Hacmin her tarafına dağılmış keyfi bir parlaklık olabilirdi. Bunun, kara deliklerin bilgisayar simülasyonlarının öngördüğü işaret fişeklerine çok benzemesi gerçeği çok heyecan verici.”
Levis, çalışmanın benzersiz bir şekilde disiplinler arası olduğunu söylüyor: “Bilgisayar bilimcileri ve astrofizikçiler arasında benzersiz bir sinerji yaratan bir ortaklığınız var. Birlikte, her iki alanda da son teknoloji ürünü bir şey geliştirdik; hem ışığın kara deliklerin etrafında nasıl yayıldığını modelleyen sayısal kodların geliştirilmesi, hem de yaptığımız hesaplamalı görüntüleme çalışması.”
Bilim insanları bunun bu heyecan verici teknoloji için sadece bir başlangıç olduğunu belirtiyor. Levis, “Bu, yapay zeka ve fiziğin başka türlü görülmeyecek bir şeyi ortaya çıkarmak için nasıl bir araya gelebileceğini gösteren gerçekten ilginç bir uygulama” diyor. “Gökbilimcilerin bu tür diğer olayların karmaşık dinamiklerine ışık tutmak ve yeni sonuçlar çıkarmak için bunu diğer zengin zaman serisi verileri üzerinde kullanabileceğini umuyoruz.”
Yeni makalenin başlığı şu: “Yay A* Süper Kütleli Kara Deliğin Yakınındaki Bir Parlamanın Yörünge Polarimetrik Tomografisi.”
Çalışma, Ulusal Bilim Vakfı, Caltech’teki Carver Mead Yeni Maceralar Fonu, Princeton Yerçekimi Girişimi ve Avrupa Araştırma Konseyi’nin finansmanıyla desteklendi.
Referans: “Yay A* Süper Kütleli Kara Deliğine Yakın Bir Parlamanın Yörünge Polarimetrik Tomografisi” 22 Nisan 2024, Doğa Astronomi.
DOI: 10.1038/s41550-024-02238-3