ИИ значительно улучшил первое в истории изображение черной дыры

В этом месяце отмечается годовщина крупного достижения в астрофизике.

10 апреля 2019 года коллаборация Event Horizon Telescope (EHT) представила первое в истории прямое изображение тени черной дыры. Теперь ученые использовали новую технику машинного обучения для повторной обработки исходных данных, чтобы получить новый, более четкий вид пылающего оранжевого вещества, вращающегося вокруг M87*.

Этот свежий взгляд дает нам более детальное представление о экстремальные условия вокруг черной дыры, что, в свою очередь, улучшит научный анализ.

«С нашей новой техникой машинного обучения PRIMO мы смогли достичь максимального разрешения текущего массива», — говорит астрофизик Лия. Медейрос из Института перспективных исследований и EHT.

«Поскольку мы не можем изучать черные дыры вблизи, детализация изображения играет решающую роль в нашей способности понять ее поведение. Ширина кольца на изображении теперь меньше примерно в два раза, что будет серьезным ограничением для наших теоретических моделей и тестов гравитации».

Галактика, в которой находится M87*, Мессье 87 (или M87), находится на расстоянии 55 миллионов световых лет от нас. Он был выбран в качестве первой цели для EHT, потому что он относительно близок, а также потому, что сверхмассивная черная дыра в 6,5 миллиардов раз больше массы Солнца в ее центре большая и достаточно активная, чтобы наши современные технологии могли ее разрешить. p>

Черные дыры, очевидно, сами по себе не видны; но активная сверхмассивная черная дыра или та, которая активно питается материей, имеет горячий диск и светящийся тор материала вокруг себя. Тем не менее, получение изображения M87* было немалым подвигом.

Потребовалось семь радиотелескопов по всему миру, объединив свои усилия, чтобы создать фактически один телескоп размером с Землю, и четыре дня наблюдений, чтобы собрать данные, которые в конечном итоге стали теперь уже знакомым изображением. Затем последовала обработка данных, которая была чрезвычайно трудоемкой.

Однако, несмотря на новаторский и эффективный метод объединения семи телескопов, известный как интерферометрия, он не идеален. В данных есть пробелы, потому что телескопы на самом деле не являются одним большим приемником размером с Землю — они физически разнесены. Поэтому Медейрос и ее коллеги разработали алгоритм машинного обучения, называемый интерферометрическим моделированием основных компонентов (PRIMO), чтобы заполнить эти пробелы.

«PRIMO – это новый подход к сложная задача построения изображений из наблюдений EHT», — объясняет астроном Тод Лауэр из NOIRLab Национального научного фонда. «Это дает способ компенсировать недостающую информацию о наблюдаемом объекте, которая требуется для создания изображения, которое можно было бы увидеть с помощью одного гигантского радиотелескопа размером с Землю».

PRIMO основан на том, что называется словарным изучением, при котором алгоритм обучается, показывая тысячи примеров вещи, чтобы изучить правила того, как эта вещь работает. Исследователи обучили PRIMO более чем 30 000 смоделированных изображений активных черных дыр, чтобы он мог изучить, как работает этот процесс, и найти закономерности.

Затем PRIMO создал то, что, по словам исследователей, является очень точным изображением M87*. , в максимально возможном на данный момент разрешении. Он показывает структуру, отсутствующую на исходном изображении, и согласуется как с данными, собранными за четыре дня в 2017 году (около 5 петабайт), так и с теоретическими прогнозами.

Это новое изображение позволило команде провести более подробные измерения M87*, чем это было возможно ранее, и провести более строгие проверки гравитационного режима вокруг нее. В будущем алгоритм может быть применен к другим подобным изображениям, в том числе к изображению Стрельца А*, сверхмассивной черной дыры в центре Млечного Пути, которая была открыта в прошлом году.

«Изображение 2019 года было просто начало», — говорит Медейрос. «Если изображение стоит тысячи слов, данные, лежащие в основе этого изображения, могут рассказать еще много историй. PRIMO по-прежнему будет важным инструментом для извлечения таких идей».

Исследование опубликовано в Письма из астрофизического журнала.