使用人工智能和爱因斯坦方程从“单个闪烁像素”重建来自银河系中心的爆炸性黑洞耀斑

使用人工智能和爱因斯坦广义相对论方程，银河系中心黑洞的爆炸性耀斑已从“单个闪烁像素”转换为详细的 3D 模型。

科学家利用人工智能构建了银河系中心黑洞人马座 A* (Sgr A*) 周围发生的能量爆发或耀斑的三维模型。这个 3D 模型可以帮助科学家更清晰地了解超大质量黑洞周围形成的混乱环境。

围绕 Sgr A* 旋转的物质存在于一种称为“吸积盘”的扁平结构中，可以周期性地耀斑。这些耀斑发生在一系列光波长范围内，从高能 X 射线到低能红外光和无线电波。

超级计算机模拟表明，阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列 (ALMA) 在 2017 年 4 月 11 日看到的耀斑源自人马座 A* 吸积盘中的两个致密物质亮点，这两个亮点都面向地球。这些亮点围绕着超大质量黑洞旋转，该黑洞的质量约为太阳的 420 万倍，而其间隔约为地球与太阳之间距离的一半。这大约是 4700 万英里（7500 万公里）。

根据观测数据以 3D 形式重建这些耀斑绝非易事。为了解决这个问题，由加州理工学院科学家 Aviad Levis 领导的团队提出了一种称为“轨道偏振断层扫描”的新成像技术。该方法与全球医院进行的医学计算机断层扫描（CT）扫描没有什么不同。

“银河系中心周围的致密区域是一个极端的地方，炽热的磁化气体以相对论速度（接近光速的速度）绕着超大质量黑洞运行。这种独特的环境为称为耀斑的高能喷发提供了动力，在 X 处留下了观测特征。 -射线、红外线和无线电波长，”李维斯告诉 Space.com。 “最近，理论学家提出了这种耀斑出现的几种机制，其中之一是通过吸积盘内突然形成的极其明亮、紧凑的区域。”

他补充说，这项工作的关键结果是在耀斑探测后立即恢复 Sgr A* 周围射电亮度的 3D 结构可能是什么样子。

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从单个像素构建黑洞

“人马座 A* 位于我们银河系的中心，使其成为最近的超大质量黑洞，也是研究此类耀斑的主要候选者，”莱维斯说。 “为了有效地做到这一点，当 ALMA 观测结果与耀斑同时发生时，你仍然需要运气。”

他解释说，2017 年 4 月 11 日，X 射线捕捉到人马座 A* 剧烈喷发后，ALMA 立即对其进行了观测。 ALMA 获取的无线电数据具有周期性信号，与 Sgr A* 周围轨道的预期信号一致。

“这促使我们开发了一种计算方法，可以从 ALMA 观察到的时间序列数据中提取 3D 结构，”Levis 补充道。 “与人马座 A* 的事件视界望远镜 (EHT) 2D 图像相比，我们对恢复 3D 体积感兴趣，为此，我们依赖于光如何在强引力场中沿着弯曲轨迹传播的物理模型。一个黑洞。”

为了实现他们的结果，科学家们研究了源自阿尔伯特·爱因斯坦 1915 年引力理论和广义相对论的物理学，然后将这些围绕超大质量黑洞的概念应用到神经网络中。然后使用该网络创建 Sgr A* 模型。

“这项工作是天文学家和计算机科学家之间的一次独特合作，推进了人工智能和重力物理学领域的尖端计算工具，在首次尝试揭示人马座 A 周围的 3D 射电发射结构时，每个工具都为整体做出了重要贡献。 *，”李维斯说。 “结果不是常规意义上的照片；相反，它是通过用气体如何绕黑洞运行以及同步加速器辐射如何在黑洞中发射的预期物理原理约束神经网络，从时间序列观测中提取的计算 3D 图像。过程。”

他解释说，该团队通过计算将 3D“发射”放置在 Sgr A* 周围的轨道上，从任意结构开始。通过光线追踪（指光物理行为的图形模拟），Levis 和同事能够模拟 ALMA 在未来如何看到 Sgr A* 周围的结构。这些模型在耀斑发生后 10 分钟开始，然后是 20 分钟后、30 分钟后——依此类推。

Levis 补充道：“神经辐射场和广义相对论光线追踪技术为我们提供了一种开始改变 3D 结构直到模型与观察结果相匹配的方法。”

研究小组发现，这得出了关于 Sgr A* 周围环境的结论，这些结论确实是通过理论预测的，表明亮度集中在吸积盘内的几个小区域。 尽管如此，这项工作的某些方面还是让李维斯和团队的其他成员感到惊讶。

“最大的惊喜是我们能够从光变曲线观察中恢复 3D 结构......本质上是单个闪烁像素的视频，”研究人员说。 “想一想：如果我告诉您可以仅从一个像素恢复视频，您会说这听起来几乎不可能。关键是我们不是恢复任意视频。

“我们正在恢复黑洞周围发射的 3D 结构，我们可以利用预期的引力和发射物理来限制我们的重建。”

Levis 补充说，ALMA 不仅测量光的强度，还测量光的偏振，这一事实为团队提供了信息丰富的信号，其中包含有关 Sgr A* 周围耀斑 3D 结构的线索。

展望未来，李维斯表示，他和团队打算在运行模拟的同时改变用于约束人工智能的物理参数。

“这些结果是令人兴奋的第一步，它依赖于人马座 A* 是一个黑洞，其环境遵循规定的引力和发射模型的信念；我们结果的准确性取决于这些假设的有效性，”Levis 总结道。 “未来，我们希望放宽这些限制，以允许与预期物理现象的偏差。

“我们的方法利用了物理学和人工智能之间的协同作用，为新的、令人兴奋的问题打开了大门，这些问题的答案将继续增进我们对黑洞和宇宙的理解。”

该团队的研究成果于周一（4 月 22 日）发表在《自然天文学》杂志上。

最初发布于 Space.com