人工智能和物理学相结合，揭示了黑洞周围爆发的耀斑的 3D 结构

科学家认为，黑洞周围的环境是动荡的，其特点是热磁化气体以极快的速度和温度在圆盘中螺旋。天文观测表明，在这样的圆盘中，神秘的耀斑每天发生数次，暂时变亮，然后逐渐消失。现在，由加州理工学院科学家领导的一个团队使用望远镜数据和人工智能（AI）计算机视觉技术恢复了第一个三维视频，显示了人马座A*（Sgr A *，发音为sadge-ay-star）周围的耀斑可能是什么样子，这是位于我们银河系中心的超大质量黑洞。

3D耀斑结构具有两个明亮，紧凑的特征，距离黑洞中心约7500万公里（或地球和太阳之间距离的一半）。它基于智利阿塔卡马大型毫米波阵列（ALMA）在2017年4月11日X射线数据中看到的火山喷发后100分钟内收集的数据。

“这是第一次在黑洞附近旋转的气体的三维重建，”加州理工学院计算和数学科学，电气工程和天文学助理教授Katie Bouman说，他的团队领导了 《自然天文学》上一篇新论文中描述的努力。

Bouman小组的博士后学者、新论文的主要作者Aviad Levis强调，虽然视频不是模拟，但它也不是事件发生的直接记录。“这是基于我们的黑洞物理模型的重建。它仍然有很多不确定性，因为它依赖于这些模型的准确性，“他说。

使用基于物理学的 AI 来找出可能的 3D 结构

为了重建3D图像，该团队必须开发新的计算成像工具，例如，可以解释由于巨大引力物体（如黑洞）周围的时空曲率而导致的光弯曲。

2021 年 6 月，多学科团队首次考虑是否有可能创建黑洞周围耀斑的 3D 视频。事件视界望远镜（EHT）合作组织（Bouman和Levis是其成员）已经发布了位于遥远星系M87核心的超大质量黑洞的第一张图像，并且正在努力对来自Sgr A *的EHT数据做同样的事情。谷歌研究院的普拉图尔·斯里尼瓦桑（Pratul Srinivasan）是这篇新论文的合著者，当时他正在加州理工学院访问该团队。他帮助开发了一种称为神经辐射场 （NeRF） 的技术，当时研究人员刚刚开始使用;从那时起，它对计算机图形学产生了巨大影响。NeRF 使用深度学习来创建基于 2D 图像的场景的 3D 表示。它提供了一种从不同角度观察场景的方法，即使只有有限的场景视图可用。

该团队想知道，通过建立神经网络表示的这些最新进展，他们是否可以重建黑洞周围的3D环境。他们面临的最大挑战是：从地球上，就像在任何地方一样，我们只能看到黑洞的单一视角。

该团队认为他们可能能够克服这个问题，因为气体在黑洞周围移动时以一种可预测的方式运行。考虑一个类比，试图捕捉一个腰间戴着内胎的孩子的 3D 图像。要使用传统的 NeRF 方法拍摄这样的图像，您需要在孩子保持静止的情况下从多个角度拍摄照片。但从理论上讲，你可以让孩子旋转，而摄影师则保持静止拍照。定时快照与儿童旋转速度信息相结合，同样可以用于重建3D场景。同样，通过利用气体如何在与黑洞不同距离处移动的知识，研究人员旨在通过从地球随时间进行的测量来解决3D耀斑重建问题。

有了这一见解，该团队构建了一个NeRF版本，该版本考虑了气体如何在黑洞周围移动。但它也需要考虑光如何在黑洞等大质量物体周围弯曲。在普林斯顿大学的合著者Andrew Chael的指导下，该团队开发了一个计算机模型来模拟这种弯曲，也称为引力透镜。

有了这些考虑，新版本的NeRF能够恢复围绕黑洞事件视界的轨道明亮特征的结构。事实上，最初的概念验证在合成数据上显示出有希望的结果。

Sgr A* 周围的耀斑可供研究

但该团队需要一些真实的数据。这就是ALMA的用武之地。EHT现在著名的Sgr A *图像是基于2017年4月6日至7日收集的数据，这是黑洞周围环境中相对平静的日子。但几天后，即4月11日，天文学家在周围发现了爆炸性的突然变亮。当德国马克斯·普朗克射电天文学研究所的团队成员Maciek Wielgus回到当天的ALMA数据时，他注意到一个信号的周期与圆盘内一个亮点完成围绕Sgr A*的轨道所需的时间相匹配。该团队着手恢复Sgr A*周围增亮的3D结构。

ALMA是世界上最强大的射电望远镜之一。然而，由于与银河系中心的距离很远（超过26,000光年），即使是ALMA也无法看到Sgr A*的周围环境。ALMA测量的是光曲线，本质上是单个闪烁像素的视频，这些视频是通过收集望远镜在每个观察时刻检测到的所有无线电波长光而创建的。

从单像素视频中恢复 3D 卷似乎是不可能的。然而，通过利用黑洞周围圆盘预期的物理特性的额外信息，该团队能够解决ALMA数据中缺乏空间信息的问题。

来自耀斑的强偏振光提供了线索

ALMA不仅仅捕捉一条光曲线。事实上，它为每次观测提供了几个这样的“视频”，因为望远镜记录了与不同偏振光态相关的数据。与波长和强度一样，偏振是光的基本属性，表示光波的电分量相对于波的一般传播方向的方向。“我们从ALMA得到的是两个偏振的单像素视频，”Bouman说，他也是罗森伯格学者和传统医学研究所研究员。“这种偏振光实际上非常非常有用。

最近的理论研究表明，在气体中形成的热点是强偏振的，这意味着来自这些热点的光波具有明显的首选方向。这与其余的气体形成鲜明对比，后者具有更随机或混乱的方向。通过收集不同的偏振测量值，ALMA数据为科学家提供了信息，可以帮助定位3D空间中发射的来源。

轨道偏振断层扫描简介

为了找出解释观测结果的可能的3D结构，该团队开发了其方法的更新版本，该方法不仅包含黑洞周围的光弯曲和动力学物理学，还包含围绕黑洞运行的热点的预期偏振发射。在这种技术中，每个潜在的耀斑结构都使用神经网络表示为连续体积。这使得研究人员能够随着时间的推移计算热点的初始3D结构，因为它绕黑洞运行以创建整个光曲线。然后，他们可以求解最佳的初始3D结构，当根据黑洞物理学及时进展时，该结构与ALMA观测结果相匹配。

结果是一段视频，显示了两个紧凑的明亮区域的顺时针运动，这些区域追踪了黑洞周围的路径。“这非常令人兴奋，”Bouman说。“它不必以这种方式出现。整个音量中可能散布着任意的亮度。事实上，这看起来很像计算机模拟黑洞预测的耀斑，这非常令人兴奋。

李维斯说，这项工作是独特的跨学科：“计算机科学家和天体物理学家之间建立了伙伴关系，这是独特的协同作用。我们一起开发了两个领域最前沿的东西——既开发了模拟光如何在黑洞周围传播的数字代码，也开发了我们所做的计算成像工作。

科学家们指出，这只是这项激动人心的技术的开始。“这是一个非常有趣的应用，人工智能和物理学如何结合在一起，揭示一些原本看不见的东西，”Levis说。“我们希望天文学家可以将其用于其他丰富的时间序列数据，以阐明其他此类事件的复杂动力学并得出新的结论。

这篇新论文的标题是“人马座A*超大质量黑洞附近耀斑的轨道偏振断层扫描”。这项工作得到了美国国家科学基金会、加州理工学院卡弗·米德新冒险基金、普林斯顿重力倡议和欧洲研究委员会的资助。