Wetenschap
AI en natuurkunde combineren om de 3D-structuur te onthullen van een uitbarsting rond een zwart gat
Wetenschappers geloven dat de omgeving rond een zwart gat tumultueus is, met heet gemagnetiseerd gas dat met enorme snelheden en temperaturen in een schijf ronddraait. Astronomische waarnemingen laten zien dat binnen zo'n schijf tot meerdere keren per dag mysterieuze uitbarstingen voorkomen, die tijdelijk helderder worden en vervolgens vervagen.
Nu heeft een team onder leiding van Caltech-wetenschappers telescoopgegevens en een computervisietechniek met kunstmatige intelligentie (AI) gebruikt om de eerste driedimensionale video te herstellen die laat zien hoe dergelijke uitbarstingen eruit zouden kunnen zien rond Sagittarius A* (Sgr A*), het superzware zwarte gat in het hart van ons eigen Melkwegstelsel.
De 3D-flarestructuur bestaat uit twee heldere, compacte kenmerken die zich op ongeveer 75 miljoen kilometer (of de helft van de afstand tussen de aarde en de zon) van het centrum van het zwarte gat bevinden. Het is gebaseerd op gegevens verzameld door de Atacama Large Millimeter Array (ALMA) in Chili gedurende een periode van 100 minuten direct na een uitbarsting die op röntgenfoto's op 11 april 2017 te zien was.
‘Dit is de eerste driedimensionale reconstructie van gas dat dichtbij een zwart gat roteert’, zegt Katie Bouman, assistent-professor informatica en wiskundige wetenschappen, elektrotechniek en astronomie bij Caltech, wiens groep leiding gaf aan de inspanning die wordt beschreven in een artikel in Natuurastronomie getiteld "Orbitale polarimetrische tomografie van een uitbarsting nabij het Sagittarius A* supermassieve zwarte gat."
Aviad Levis, een postdoctoraal onderzoeker in de groep van Bouman en hoofdauteur van het artikel, benadrukt dat de video weliswaar geen simulatie is, maar ook geen directe opname is van gebeurtenissen zoals ze plaatsvonden. "Het is een reconstructie gebaseerd op onze modellen van de fysica van zwarte gaten. Er is nog steeds veel onzekerheid aan verbonden, omdat het ervan afhangt dat deze modellen accuraat zijn", zegt hij.
AI gebruiken op basis van natuurkunde om mogelijke 3D-structuren te achterhalen
Om het 3D-beeld te reconstrueren moest het team nieuwe computationele beeldvormingshulpmiddelen ontwikkelen die bijvoorbeeld rekening konden houden met de afbuiging van licht als gevolg van de kromming van de ruimte-tijd rond objecten met een enorme zwaartekracht, zoals een zwart gat.
Het multidisciplinaire team heeft in juni 2021 voor het eerst overwogen of het mogelijk zou zijn om een 3D-video te maken van zonnevlammen rond een zwart gat. De Event Horizon Telescope (EHT) Collaboration, waar Bouman en Levis lid van zijn, had al de eerste afbeelding van het zwarte gat gepubliceerd. superzwaar zwart gat in de kern van een ver sterrenstelsel, M87 genaamd, en werkte eraan hetzelfde te doen met EHT-gegevens van Sgr A*.
Pratul Srinivasan van Google Research, co-auteur van het nieuwe artikel, was op dat moment op bezoek bij het team van Caltech. Hij had geholpen bij de ontwikkeling van een techniek die bekend staat als neurale stralingsvelden (NeRF) en die toen net door onderzoekers werd gebruikt; het heeft sindsdien een enorme impact gehad op computergraphics. NeRF maakt gebruik van deep learning om op basis van 2D-beelden een 3D-weergave van een scène te creëren. Het biedt een manier om scènes vanuit verschillende hoeken te bekijken, zelfs als er slechts beperkte weergaven van de scène beschikbaar zijn.
Het team vroeg zich af of ze, door voort te bouwen op deze recente ontwikkelingen in neurale netwerkrepresentaties, de 3D-omgeving rond een zwart gat konden reconstrueren. Hun grote uitdaging:vanaf de aarde krijgen we, zoals overal, slechts één gezichtspunt van het zwarte gat.
Het team dacht dat ze dit probleem misschien zouden kunnen overwinnen omdat gas zich enigszins voorspelbaar gedraagt terwijl het rond het zwarte gat beweegt. Denk eens aan de analogie van het proberen een 3D-beeld vast te leggen van een kind dat een binnenband om zijn middel draagt.
Om zo'n beeld vast te leggen met de traditionele NeRF-methode, heb je foto's nodig die vanuit meerdere hoeken zijn genomen terwijl het kind stil bleef staan. Maar in theorie zou je het kind kunnen vragen om te draaien terwijl de fotograaf stil blijft staan en foto's maakt.
De getimede snapshots, gecombineerd met informatie over de rotatiesnelheid van het kind, konden worden gebruikt om de 3D-scène even goed te reconstrueren. Op dezelfde manier probeerden de onderzoekers, door gebruik te maken van kennis over hoe gas zich op verschillende afstanden van een zwart gat beweegt, het probleem van de reconstructie van 3D-vlammen op te lossen met metingen die in de loop van de tijd vanaf de aarde zijn gedaan.
Met dit inzicht in de hand bouwde het team een versie van NeRF die rekening houdt met de manier waarop gas rond zwarte gaten beweegt. Maar er moest ook rekening mee worden gehouden hoe licht rond massieve objecten zoals zwarte gaten buigt. Onder leiding van co-auteur Andrew Chael van Princeton University ontwikkelde het team een computermodel om deze buiging te simuleren, ook wel zwaartekrachtlens genoemd.
Met deze overwegingen in het achterhoofd kon de nieuwe versie van NeRF de structuur van heldere structuren rond de waarnemingshorizon van een zwart gat herstellen. De eerste proof-of-concept liet inderdaad veelbelovende resultaten zien op het gebied van synthetische data.
Een vuurpijl rond Sgr A* om te studeren
Maar het team had echte gegevens nodig. Dat is waar ALMA in beeld kwam. Het inmiddels beroemde beeld van Sgr A* door de EHT was gebaseerd op gegevens verzameld op 6 en 7 april 2017, wat relatief rustige dagen waren in de omgeving van het zwarte gat. Maar astronomen ontdekten slechts een paar dagen later, op 11 april, een explosieve en plotselinge opheldering in de omgeving.
Toen teamlid Maciek Wielgus van het Max Planck Instituut voor Radioastronomie in Duitsland terugging naar de ALMA-gegevens van die dag, merkte hij een signaal op met een periode die overeenkwam met de tijd die een lichtpuntje in de schijf nodig had om een baan rond de aarde te voltooien. Sgr A*. Het team ging op zoek naar de 3D-structuur van de opheldering rond Sgr A*.
ALMA is een van de krachtigste radiotelescopen ter wereld. Vanwege de enorme afstand tot het galactische centrum (meer dan 26.000 lichtjaar) heeft zelfs ALMA echter niet de resolutie om de directe omgeving van Sgr A* te zien. Wat ALMA meet zijn lichtcurves, wat feitelijk video's zijn van één enkele flikkerende pixel, die worden gemaakt door al het radiogolflengtelicht te verzamelen dat door de telescoop wordt gedetecteerd voor elk observatiemoment.
Het lijkt misschien onmogelijk om een 3D-volume te herstellen uit een video van één pixel. Door echter gebruik te maken van extra informatie over de fysica die wordt verwacht voor de schijf rond zwarte gaten, kon het team het gebrek aan ruimtelijke informatie in de ALMA-gegevens omzeilen.
Sterk gepolariseerd licht van de fakkels gaf aanwijzingen
ALMA legt niet slechts één enkele lichtcurve vast. In feite biedt het voor elke waarneming meerdere van dergelijke "video's" omdat de telescoop gegevens registreert met betrekking tot verschillende polarisatietoestanden van licht. Net als golflengte en intensiteit is polarisatie een fundamentele eigenschap van licht en geeft aan in welke richting de elektrische component van een lichtgolf is georiënteerd ten opzichte van de algemene voortbewegingsrichting van de golf.
"Wat we van ALMA krijgen zijn twee gepolariseerde video's met één pixel", zegt Bouman, tevens Rosenberg-onderzoeker en onderzoeker van het Heritage Medical Research Institute. "Dat gepolariseerde licht is eigenlijk heel erg informatief."
Recente theoretische studies suggereren dat hotspots die zich in het gas vormen sterk gepolariseerd zijn, wat betekent dat de lichtgolven die uit deze hotspots komen een duidelijke voorkeursoriëntatierichting hebben. Dit is in tegenstelling tot de rest van het gas, dat een meer willekeurige of verhaspelde oriëntatie heeft. Door de verschillende polarisatiemetingen te verzamelen, gaven de ALMA-gegevens de wetenschappers informatie die kon helpen lokaliseren waar de emissie vandaan kwam in de 3D-ruimte.
Introductie van orbitale polarimetrische tomografie
Om een waarschijnlijke 3D-structuur te vinden die de waarnemingen verklaarde, ontwikkelde het team een bijgewerkte versie van hun methode, waarin niet alleen de fysica van de lichtbuiging en de dynamiek rond een zwart gat werd meegenomen, maar ook de gepolariseerde emissie die wordt verwacht in hotspots die rond een zwart gat draaien. Bij deze techniek wordt elke potentiële flare-structuur weergegeven als een continu volume met behulp van een neuraal netwerk.
Hierdoor kunnen de onderzoekers de initiële 3D-structuur van een hotspot in de loop van de tijd berekenen terwijl deze rond het zwarte gat draait om een hele lichtcurve te creëren. Vervolgens konden ze de beste initiële 3D-structuur vinden die, als ze zich in de tijd voortbewogen volgens de fysica van zwarte gaten, overeenkwam met de ALMA-waarnemingen.
Het resultaat is een video die de beweging met de klok mee laat zien van twee compacte heldere gebieden die een pad rond het zwarte gat volgen. “Dit is heel spannend”, zegt Bouman. "Het hoefde niet op deze manier naar buiten te komen. Er had willekeurige helderheid door het hele volume verspreid kunnen zijn. Het feit dat dit veel lijkt op de uitbarstingen die computersimulaties van zwarte gaten voorspellen, is erg opwindend."
Levis zegt dat het werk op een unieke manier interdisciplinair was:"Je hebt een partnerschap tussen computerwetenschappers en astrofysici, wat op een unieke manier synergetisch is. Samen hebben we iets ontwikkeld dat baanbrekend is op beide gebieden:zowel de ontwikkeling van numerieke codes die modelleren hoe licht zich voortplant zwarte gaten en het computationele beeldvormingswerk dat we hebben gedaan."
De wetenschappers merken op dat dit nog maar het begin is van deze opwindende technologie. "Dit is een heel interessante toepassing van hoe AI en natuurkunde samen kunnen komen om iets te onthullen dat anders onzichtbaar is", zegt Levis. "We hopen dat astronomen het kunnen gebruiken op andere rijke tijdreeksgegevens om licht te werpen op de complexe dynamiek van andere dergelijke gebeurtenissen en om nieuwe conclusies te trekken."