科學(xué)家利用人工智能重建銀河系超大質(zhì)量黑洞爆發(fā)的高能耀斑
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（左）銀河系中心超大質(zhì)量黑洞人馬座A*（右）Sgr A*周圍耀斑的3D模擬照片（圖片來源：uux.cn/EHT Collaboration/Aviad Levis）
（神秘的地球uux.cn）據(jù)美國太空網(wǎng)（Robert Lea）：科學(xué)家們使用人工智能構(gòu)建了銀河系中心黑洞人馬座a*（Sgr a*）周圍發(fā)生的高能爆發(fā)或耀斑的三維模型。這個(gè)3D模型可以幫助科學(xué)家更清晰地了解超大質(zhì)量黑洞周圍形成的家利建動蕩環(huán)境。
圍繞Sgr A*旋轉(zhuǎn)的用人物質(zhì)存在于一個(gè)被稱為“吸積盤”的扁平結(jié)構(gòu)中，該結(jié)構(gòu)可以周期性地耀斑。工智這些耀斑發(fā)生在一系列波長的重能耀光中，從高能X射線到低能紅外光和無線電波。河系黑洞
超級計(jì)算機(jī)模擬表明，質(zhì)量阿塔卡馬大型毫米/亞毫米陣列（ALMA）在2017年4月11日看到的爆發(fā)斑耀斑源于Sgr a*吸積盤中的兩個(gè)致密物質(zhì)亮點(diǎn)，這兩個(gè)亮點(diǎn)都面向地球。科學(xué)這些亮點(diǎn)圍繞著質(zhì)量約為太陽420萬倍的家利建超大質(zhì)量黑洞旋轉(zhuǎn)，而黑洞的用人距離約為地球和太陽距離的一半。大約4700萬英里（7500萬公里）。工智
根據(jù)觀測數(shù)據(jù)以3D方式重建這些耀斑絕非易事。重能耀為了解決這個(gè)問題，河系黑洞由加州理工學(xué)院科學(xué)家Aviad Levis領(lǐng)導(dǎo)的質(zhì)量團(tuán)隊(duì)提出了一種名為“軌道偏振斷層掃描”的新成像技術(shù)。這種方法與全球醫(yī)院進(jìn)行的醫(yī)學(xué)計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）沒有什么不同。
Levis告訴Space.com：“銀河系中心周圍的致密區(qū)域是一個(gè)極端的地方，在這里，熱的磁化氣體以相對論速度（接近光速）繞著超大質(zhì)量黑洞運(yùn)行。這種獨(dú)特的環(huán)境為被稱為耀斑的高能噴發(fā)提供了動力，耀斑會在X射線、紅外和無線電波長下留下觀測特征。最近，理論家們提出了這種耀斑出現(xiàn)的幾種機(jī)制，其中之一是通過吸積盤中突然形成的極其明亮、致密的區(qū)域。”
他補(bǔ)充道，這項(xiàng)工作的關(guān)鍵結(jié)果是，在探測到耀斑后，Sgr A*周圍無線電亮度的3D結(jié)構(gòu)可能會直接恢復(fù)。
從單個(gè)像素構(gòu)建黑洞
Levis說：“Sgr A*位于我們銀河系的中心，是距離我們最近的超大質(zhì)量黑洞，也是研究此類耀斑的主要候選者。”。“要有效地做到這一點(diǎn)，當(dāng)ALMA觀測與耀斑重合時(shí)，你仍然需要運(yùn)氣。”
他解釋說，2017年4月11日，ALMA在X射線拍攝到一次劇烈噴發(fā)后直接觀察到了Sgr A*。ALMA獲得的無線電數(shù)據(jù)具有一個(gè)周期性信號，與Sgr a*周圍軌道的預(yù)期信號一致。
Levis補(bǔ)充道：“這促使我們開發(fā)了一種計(jì)算方法，可以從ALMA觀測到的時(shí)間序列數(shù)據(jù)中提取3D結(jié)構(gòu)。”。“與Sgr A*的事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）2D圖像相比，我們對恢復(fù)3D體積感興趣，為此，我們依賴于對光如何在黑洞的強(qiáng)大引力場中沿著彎曲軌跡傳播的物理建模。”
銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞Sgr A*首次在偏振光中出現(xiàn)。（圖片來源：uux.cn/EHT Collaboration）
為了實(shí)現(xiàn)他們的結(jié)果，科學(xué)家們研究了源自阿爾伯特·愛因斯坦1915年引力理論廣義相對論的物理學(xué)，然后將這些關(guān)于超大質(zhì)量黑洞的概念應(yīng)用到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中。然后，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)被用來創(chuàng)建Sgr a*模型。
Levis說：“這項(xiàng)工作是天文學(xué)家和計(jì)算機(jī)科學(xué)家之間的獨(dú)特合作，他們從人工智能和引力物理領(lǐng)域推進(jìn)了尖端計(jì)算工具，在首次嘗試揭示Sgr a*周圍的3D無線電發(fā)射結(jié)構(gòu)時(shí)，每一種工具都貢獻(xiàn)了整體的重要組成部分。”。“結(jié)果不是一張普通意義上的照片；相反，它是一張從時(shí)間序列觀測中提取的計(jì)算3D圖像，通過將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與氣體如何繞黑洞運(yùn)行以及同步輻射在這個(gè)過程中如何發(fā)射的預(yù)期物理約束在一起。”
他解釋說，該團(tuán)隊(duì)通過計(jì)算將3D“排放物”放置在Sgr A*周圍的軌道上，從任意結(jié)構(gòu)開始。通過光線追蹤，即對光的物理行為的圖形模擬，Levis及其同事能夠模擬ALMA在未來如何看到Sgr A*周圍的結(jié)構(gòu)。這些模型在耀斑發(fā)生10分鐘后開始，然后是20分鐘后，30分鐘后，以此類推。
Levis補(bǔ)充道：“神經(jīng)輻射場和一般相對論射線追蹤技術(shù)為我們提供了一種開始改變3D結(jié)構(gòu)的方法，直到模型與觀測結(jié)果相匹配。”。
研究小組發(fā)現(xiàn)，這提供了關(guān)于Sgr A*周圍環(huán)境的結(jié)論，這些結(jié)論確實(shí)是理論預(yù)測的，表明亮度集中在吸積盤中的幾個(gè)小區(qū)域。盡管如此，這項(xiàng)工作的某些方面還是讓萊維斯和團(tuán)隊(duì)其他成員感到驚訝。
研究人員說：“最大的驚喜是，我們能夠從光曲線觀測中恢復(fù)3D結(jié)構(gòu)……本質(zhì)上是一個(gè)閃爍像素的視頻。”。“想想看：如果我告訴你，你可以從一個(gè)像素恢復(fù)視頻，你會說這聽起來幾乎不可能。關(guān)鍵是我們沒有恢復(fù)任意的視頻。”。
“我們正在恢復(fù)黑洞周圍發(fā)射的3D結(jié)構(gòu)，我們可以利用預(yù)期的引力和發(fā)射物理來約束我們的重建。”
Levis補(bǔ)充道，ALMA不僅測量光的強(qiáng)度，還測量光的偏振，這一事實(shí)為研究小組提供了一個(gè)信息豐富的信號，提供了關(guān)于Sgr a周圍耀斑三維結(jié)構(gòu)的線索*
Levis表示，未來他和團(tuán)隊(duì)打算在改變用于約束人工智能的物理參數(shù)的同時(shí)進(jìn)行模擬。
Levis總結(jié)道：“這些結(jié)果是令人興奮的第一步，它依賴于這樣一種信念，即Sgr A*是一個(gè)黑洞，其環(huán)境遵循規(guī)定的引力和發(fā)射模型；我們的結(jié)果的準(zhǔn)確性取決于這些假設(shè)的有效性。”。“未來，我們希望放松這些限制，允許偏離預(yù)期的物理。
“我們的方法利用了物理學(xué)和人工智能之間的協(xié)同作用，為新的、令人興奮的問題打開了大門，這些問題的答案將繼續(xù)推動我們對黑洞和宇宙的理解。”
該團(tuán)隊(duì)的研究于周一（4月22日）發(fā)表在《自然天文學(xué)》雜志上。