科学家利用人工智能重建银河系超大质量黑洞爆发的高能耀斑

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（左）银河系中心超大质量黑洞人马座A*（右）Sgr A*周围耀斑的3D模拟照片（图片来源：EHT Collaboration/Aviad Levis）

据美国太空网（Robert Lea）：科学家们使用人工智能构建了银河系中心黑洞人马座a*（Sgr a*）周围发生的高能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动荡环境。

围绕Sgr A*旋转的物质存在于一个被称为“吸积盘”的扁平结构中，该结构可以周期性地耀斑。这些耀斑发生在一系列波长的光中，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日看到的耀斑源于Sgr a*吸积盘中的两个致密物质亮点，这两个亮点都面向地球。这些亮点围绕着质量约为太阳420万倍的超大质量黑洞旋转，而黑洞的距离约为地球和太阳距离的一半。大约4700万英里（7500万公里）。

根据观测数据以3D方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名为“轨道偏振断层扫描”的新成像技术。这种方法与全球医院进行的医学计算机断层扫描（CT）没有什么不同。

Levis告诉Space.com：“银河系中心周围的致密区域是一个极端的地方，在这里，热的磁化气体以相对论速度（接近光速）绕着超大质量黑洞运行。这种独特的环境为被称为耀斑的高能喷发提供了动力，耀斑会在X射线、红外和无线电波长下留下观测特征。最近，理论家们提出了这种耀斑出现的几种机制，其中之一是通过吸积盘中突然形成的极其明亮、致密的区域。”

他补充道，这项工作的关键结果是，在探测到耀斑后，Sgr A*周围无线电亮度的3D结构可能会直接恢复。

从单个像素构建黑洞

Levis说：“Sgr A*位于我们银河系的中心，是距离我们最近的超大质量黑洞，也是研究此类耀斑的主要候选者。”。“要有效地做到这一点，当ALMA观测与耀斑重合时，你仍然需要运气。”

他解释说，2017年4月11日，ALMA在X射线拍摄到一次剧烈喷发后直接观察到了Sgr A*。ALMA获得的无线电数据具有一个周期性信号，与Sgr a*周围轨道的预期信号一致。

Levis补充道：“这促使我们开发了一种计算方法，可以从ALMA观测到的时间序列数据中提取3D结构。”。“与Sgr 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，我们依赖于对光如何在黑洞的强大引力场中沿着弯曲轨迹传播的物理建模。”



银河系中心的超大质量黑洞Sgr A*首次在偏振光中出现。（图片来源：EHT Collaboration）

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年引力理论广义相对论的物理学，然后将这些关于超大质量黑洞的概念应用到神经网络中。然后，这个网络被用来创建Sgr a*模型。

Levis说：“这项工作是天文学家和计算机科学家之间的独特合作，他们从人工智能和引力物理领域推进了尖端计算工具，在首次尝试揭示Sgr a*周围的3D无线电发射结构时，每一种工具都贡献了整体的重要组成部分。”。“结果不是一张普通意义上的照片；相反，它是一张从时间序列观测中提取的计算3D图像，通过将神经网络与气体如何绕黑洞运行以及同步辐射在这个过程中如何发射的预期物理约束在一起。”

他解释说，该团队通过计算将3D“排放物”放置在Sgr A*周围的轨道上，从任意结构开始。通过光线追踪，即对光的物理行为的图形模拟，Levis及其同事能够模拟ALMA在未来如何看到Sgr A*周围的结构。这些模型在耀斑发生10分钟后开始，然后是20分钟后，30分钟后，以此类推。

Levis补充道：“神经辐射场和一般相对论射线追踪技术为我们提供了一种开始改变3D结构的方法，直到模型与观测结果相匹配。”。

研究小组发现，这提供了关于Sgr A*周围环境的结论，这些结论确实是理论预测的，表明亮度集中在吸积盘中的几个小区域。尽管如此，这项工作的某些方面还是让莱维斯和团队其他成员感到惊讶。

研究人员说：“最大的惊喜是，我们能够从光曲线观测中恢复3D结构……本质上是一个闪烁像素的视频。”。“想想看：如果我告诉你，你可以从一个像素恢复视频，你会说这听起来几乎不可能。关键是我们没有恢复任意的视频。”。

“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约束我们的重建。”

Levis补充道，ALMA不仅测量光的强度，还测量光的偏振，这一事实为研究小组提供了一个信息丰富的信号，提供了关于Sgr a周围耀斑三维结构的线索*

Levis表示，未来他和团队打算在改变用于约束人工智能的物理参数的同时进行模拟。

Levis总结道：“这些结果是令人兴奋的第一步，它依赖于这样一种信念，即Sgr A*是一个黑洞，其环境遵循规定的引力和发射模型；我们的结果的准确性取决于这些假设的有效性。”。“未来，我们希望放松这些限制，允许偏离预期的物理。

“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推动我们对黑洞和宇宙的理解。”

该团队的研究于周一（4月22日）发表在《自然天文学》杂志上。