（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：EHT Collaboration/Aviad Levis）
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)量黑洞周圍形成的動蕩環(huán)境 。
圍繞Sgr A*旋轉(zhuǎn)的物質(zhì)存在于一個被稱為“吸積盤”的扁平結(jié)構(gòu)中，該結(jié)構(gòu)可以周期性地耀斑 。這些耀斑發(fā)生在一系列波長的光中，從高能X射線到低能紅外光和無線電波 。
超級計算機模擬表明，阿塔卡馬大型毫米/亞毫米陣列（ALMA）在2017年4月11日看到的耀斑源于Sgr a*吸積盤中的兩個致密物質(zhì)亮點，這兩個亮點都面向地球 。這些亮點圍繞著質(zhì)量約為太陽420萬倍的超大質(zhì)量黑洞旋轉(zhuǎn) ， 而黑洞的距離約為地球和太陽距離的一半 。大約4700萬英里（7500萬公里） 。
根據(jù)觀測數(shù)據(jù)以3D方式重建這些耀斑絕非易事 。為了解決這個問題，由加州理工學(xué)院科學(xué)家Aviad Levis領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊提出了一種名為“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)計算機斷層掃描（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)量黑洞運行 。這種獨特的環(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 。”
他補充道，這項工作的關(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，當(dāng)ALMA觀測與耀斑重合時，你仍然需要運氣 。”
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)具有一個周期性信號，與Sgr a*周圍軌道的預(yù)期信號一致 。
Levis補充道：“這促使我們開發(fā)了一種計算方法，可以從ALMA觀測到的時間序列數(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：EHT Collaboration）
為了實現(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，這個網(wǎng)絡(luò)被用來創(chuàng)建Sgr a*模型 。
Levis說：“這項工作是天文學(xué)家和計算機科學(xué)家之間的獨特合作，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 ， 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，它是一張從時間序列觀測中提取的計算3D圖像 ， 通過將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與氣體如何繞黑洞運行以及同步輻射在這個過程中如何發(fā)射的預(yù)期物理約束在一起 。”
他解釋說，該團(tuán)隊通過計算將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)論確實是理論預(yù)測的，表明亮度集中在吸積盤中的幾個小區(qū)域 。盡管如此，這項工作的某些方面還是讓萊維斯和團(tuán)隊其他成員感到驚訝 。
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)上是一個閃爍像素的視頻 。” 。“想想看：如果我告訴你 ， 你可以從一個像素恢復(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補充道，ALMA不僅測量光的強度，還測量光的偏振，這一事實為研究小組提供了一個信息豐富的信號，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)隊打算在改變用于約束人工智能的物理參數(shù)的同時進(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)隊的研究于周一（4月22日）發(fā)表在《自然天文學(xué)》雜志上 。

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