Gli scienziati ritengono che l’ambiente immediatamente circostante un buco nero sia tumultuoso, caratterizzato da gas caldo e magnetizzato che si muove a spirale in un disco a velocità e temperature enormi. Le osservazioni astronomiche mostrano che all'interno di un tale disco si verificano bagliori misteriosi più volte al giorno, che si illuminano temporaneamente e poi svaniscono.
Ora un team guidato da scienziati del Caltech ha utilizzato i dati del telescopio e una tecnica di visione artificiale dell’intelligenza artificiale (AI) per recuperare il primo video tridimensionale che mostra come potrebbero apparire tali brillamenti attorno al buco nero supermassiccio Sagittarius A* (Sgr A*). nel cuore della nostra galassia, la Via Lattea.
La struttura del bagliore 3D presenta due strutture luminose e compatte situate a circa 75 milioni di chilometri (o metà della distanza tra la Terra e il Sole) dal centro del buco nero. Si basa sui dati raccolti dall'Atacama Large Millimeter Array (ALMA) in Cile per un periodo di 100 minuti subito dopo un'eruzione osservata nei dati a raggi X l'11 aprile 2017.
"Questa è la prima ricostruzione tridimensionale del gas che ruota vicino a un buco nero", afferma Katie Bouman, assistente professore di informatica e scienze matematiche, ingegneria elettrica e astronomia al Caltech, il cui gruppo ha guidato lo sforzo descritto in un articolo in Astronomia naturale intitolato "Tomografia polarimetrica orbitale di un bagliore vicino al buco nero supermassiccio Sagittarius A*."
Aviad Levis, uno studioso post-dottorato del gruppo di Bouman e autore principale dell'articolo, sottolinea che, sebbene il video non sia una simulazione, non è nemmeno una registrazione diretta degli eventi mentre hanno avuto luogo. "Si tratta di una ricostruzione basata sui nostri modelli della fisica del buco nero. C'è ancora molta incertezza ad essa associata perché si basa sull'accuratezza di questi modelli", afferma.
Per ricostruire l'immagine 3D, il team ha dovuto sviluppare nuovi strumenti di imaging computazionale che potessero, ad esempio, tenere conto della deflessione della luce dovuta alla curvatura dello spazio-tempo attorno a oggetti di enorme gravità, come un buco nero.
Il team multidisciplinare ha valutato innanzitutto se fosse possibile creare un video 3D dei bagliori attorno a un buco nero nel giugno 2021. La collaborazione Event Horizon Telescope (EHT), di cui Bouman e Levis sono membri, aveva già pubblicato la prima immagine del buco nero supermassiccio al centro di una galassia distante, chiamata M87, e stava lavorando per fare lo stesso con i dati EHT di Sgr A*.
Pratul Srinivasan di Google Research, coautore del nuovo articolo, era in quel momento in visita al team del Caltech. Aveva contribuito a sviluppare una tecnica nota come campi di radianza neurale (NeRF) che allora stava appena iniziando ad essere utilizzata dai ricercatori; da allora ha avuto un enorme impatto sulla computer grafica. NeRF utilizza il deep learning per creare una rappresentazione 3D di una scena basata su immagini 2D. Fornisce un modo per osservare le scene da diverse angolazioni, anche quando sono disponibili solo viste limitate della scena.
Il team si è chiesto se, basandosi su questi recenti sviluppi nelle rappresentazioni delle reti neurali, sarebbe stato possibile ricostruire l’ambiente 3D attorno a un buco nero. La loro grande sfida:dalla Terra, come ovunque, otteniamo un solo punto di vista del buco nero.
Il team ha pensato che forse sarebbe stato possibile superare questo problema perché il gas si comporta in un certo senso in modo prevedibile mentre si muove attorno al buco nero. Considera l'analogia di provare a catturare un'immagine 3D di un bambino che indossa una camera d'aria intorno alla vita.
Per catturare un'immagine del genere con il tradizionale metodo NeRF, avresti bisogno di foto scattate da più angolazioni mentre il bambino rimaneva fermo. Ma in teoria si potrebbe chiedere al bambino di ruotare mentre il fotografo resta fermo a scattare foto.
Le istantanee temporizzate, combinate con le informazioni sulla velocità di rotazione del bambino, potrebbero essere utilizzate per ricostruire altrettanto bene la scena 3D. Allo stesso modo, sfruttando la conoscenza di come il gas si muove a diverse distanze da un buco nero, i ricercatori miravano a risolvere il problema della ricostruzione del brillamento 3D con misurazioni effettuate dalla Terra nel tempo.
Con queste informazioni in mano, il team ha costruito una versione di NeRF che tiene conto di come il gas si muove attorno ai buchi neri. Ma era necessario considerare anche il modo in cui la luce si piega attorno a oggetti massicci come i buchi neri. Sotto la guida del coautore Andrew Chael dell'Università di Princeton, il team ha sviluppato un modello computerizzato per simulare questa flessione, nota anche come lente gravitazionale.
Tenendo presenti queste considerazioni, la nuova versione di NeRF è stata in grado di recuperare la struttura delle caratteristiche luminose orbitanti attorno all’orizzonte degli eventi di un buco nero. In effetti, la prova di concetto iniziale ha mostrato risultati promettenti sui dati sintetici.
Ma il team aveva bisogno di dati reali. È qui che entra in gioco ALMA. L'ormai famosa immagine di Sgr A* dell'EHT si basava sui dati raccolti dal 6 al 7 aprile 2017, giorni relativamente calmi nell'ambiente che circondava il buco nero. Ma gli astronomi hanno rilevato un improvviso e esplosivo schiarimento nei dintorni solo pochi giorni dopo, l'11 aprile.
Quando il membro del team Maciek Wielgus dell’Istituto Max Planck per la radioastronomia in Germania è tornato sui dati ALMA di quel giorno, ha notato un segnale con un periodo corrispondente al tempo impiegato da un punto luminoso all’interno del disco per completare un’orbita attorno a Sgr A*. Il team si è proposto di recuperare la struttura 3D di quell'illuminamento attorno a Sgr A*.
ALMA è uno dei radiotelescopi più potenti al mondo. Tuttavia, a causa della grande distanza dal centro galattico (più di 26.000 anni luce), nemmeno ALMA ha la risoluzione necessaria per vedere gli immediati dintorni di Sgr A*. Ciò che ALMA misura sono curve di luce, che sono essenzialmente video di un singolo pixel tremolante, creati raccogliendo tutta la luce a lunghezza d'onda radio rilevata dal telescopio per ogni momento di osservazione.
Recuperare un volume 3D da un video a pixel singolo potrebbe sembrare impossibile. Tuttavia, sfruttando un'ulteriore informazione sulla fisica prevista per il disco attorno ai buchi neri, il team è riuscito a superare la mancanza di informazioni spaziali nei dati ALMA.
ALMA non cattura solo una singola curva di luce. Infatti fornisce diversi "video" di questo tipo per ogni osservazione perché il telescopio registra dati relativi a diversi stati di polarizzazione della luce. Come la lunghezza d'onda e l'intensità, la polarizzazione è una proprietà fondamentale della luce e rappresenta la direzione in cui è orientata la componente elettrica di un'onda luminosa rispetto alla direzione generale di viaggio dell'onda.
"Ciò che otteniamo da ALMA sono due video polarizzati a pixel singolo", afferma Bouman, che è anche uno studioso di Rosenberg e un ricercatore dell'Heritage Medical Research Institute. "Quella luce polarizzata è davvero molto istruttiva."
Recenti studi teorici suggeriscono che i punti caldi che si formano all’interno del gas sono fortemente polarizzati, il che significa che le onde luminose provenienti da questi punti caldi hanno una direzione di orientamento preferita distinta. Ciò è in contrasto con il resto del gas, che ha un orientamento più casuale o criptato. Raccogliendo le diverse misurazioni della polarizzazione, i dati ALMA hanno fornito agli scienziati informazioni che potrebbero aiutare a localizzare la provenienza dell'emissione nello spazio 3D.
Per capire una probabile struttura 3D che spiegasse le osservazioni, il team ha sviluppato una versione aggiornata del suo metodo che non solo incorporava la fisica della flessione della luce e della dinamica attorno a un buco nero, ma anche l’emissione polarizzata prevista nei punti caldi in orbita attorno a un buco nero. In questa tecnica, ogni potenziale struttura di brillamento è rappresentata come un volume continuo utilizzando una rete neurale.
Ciò consente ai ricercatori di far progredire computazionalmente la struttura 3D iniziale di un hotspot nel tempo mentre orbita attorno al buco nero per creare un’intera curva di luce. Hanno quindi potuto trovare la migliore struttura 3D iniziale che, una volta progredita nel tempo secondo la fisica del buco nero, corrispondeva alle osservazioni di ALMA.
Il risultato è un video che mostra il movimento in senso orario di due regioni luminose compatte che tracciano un percorso attorno al buco nero. "Questo è molto emozionante", dice Bouman. "Non doveva necessariamente uscire in questo modo. Potrebbe esserci stata una luminosità arbitraria sparsa in tutto il volume. Il fatto che assomigli molto ai bagliori previsti dalle simulazioni computerizzate dei buchi neri è molto eccitante."
Levis afferma che il lavoro è stato straordinariamente interdisciplinare:"La collaborazione tra scienziati informatici e astrofisici è straordinariamente sinergica. Insieme, abbiamo sviluppato qualcosa che è all'avanguardia in entrambi i campi:sia lo sviluppo di codici numerici che modellano il modo in cui la luce si propaga intorno buchi neri e il lavoro di imaging computazionale che abbiamo svolto."
Gli scienziati sottolineano che questo è solo l'inizio di questa entusiasmante tecnologia. "Si tratta di un'applicazione davvero interessante di come l'intelligenza artificiale e la fisica possono unirsi per rivelare qualcosa che altrimenti sarebbe invisibile", afferma Levis. "Speriamo che gli astronomi possano usarlo su altri ricchi dati di serie temporali per far luce sulle dinamiche complesse di altri eventi simili e per trarre nuove conclusioni."
Ulteriori informazioni: Aviad Levis, Tomografia polarimetrica orbitale di un brillamento vicino al buco nero supermassiccio Sagittarius A*, Nature Astronomy (2024). DOI:10.1038/s41550-024-02238-3. www.nature.com/articles/s41550-024-02238-3
Informazioni sul giornale: Astronomia naturale
Fornito dal California Institute of Technology
