دانشمندان از هوش مصنوعی برای بازسازی درخشش پرانرژی ناشی از سیاهچاله کلان راه شیری استفاده می کنند.
به گزارش مجله نجم
دانشمندان از هوش مصنوعی برای ساختن یک مدل سه بعدی از انفجار انرژی یا شعله ور شدن انرژی که در اطراف سیاهچاله مرکزی کهکشان راه شیری، Sagittarius A* (Sgr A*) رخ داد، استفاده کردند. این مدل سه‌بعدی می‌تواند به دانشمندان کمک کند تا تصویر واضح‌تری از محیط آشفته‌ای که به طور کلی در اطراف سیاه‌چاله‌های کلان پرجرم شکل می‌گیرد، ایجاد کنند.
ماده ای که به دور Sagittarius A* می چرخد در یک ساختار مسطح به نام “دیسک برافزایش” است که می تواند به طور دوره ای مشتعل شود. این شعله‌ها در طیف وسیعی از طول‌موج‌های نور، از پرتوهای ایکس پرانرژی گرفته تا امواج مادون قرمز و رادیویی کم‌انرژی رخ می‌دهند.
شبیه‌سازی‌های ابررایانه‌ای نشان می‌دهد که شراره‌ای که توسط آرایه میلی‌متری/زیر میلی‌متری آتاکاما (ALMA) در 11 آوریل 2017 مشاهده شد، از دو نقطه روشن از مواد متراکم در قرص برافزایشی Sagittarius A*، که هر دو رو به زمین هستند، سرچشمه می‌گیرد. این نقاط روشن به دور سیاهچاله عظیم می چرخند که جرمی حدود 4.2 میلیون برابر جرم خورشید دارد، در حالی که حدود نیمی از فاصله زمین و خورشید از آن جدا شده است. این حدود 47 میلیون مایل (75 میلیون کیلومتر) است.
مربوط: نمایی جدید از سیاهچاله عظیم در قلب کهکشان راه شیری به یک ویژگی پنهان هیجان انگیز اشاره می کند.
بازسازی این شراره ها به صورت سه بعدی از داده های رصدی آسان نیست. برای حل این مشکل، تیم به رهبری آویاد لویس، دانشمند کالتک، یک تکنیک تصویربرداری جدید به نام «توموگرافی قطبی مداری» را پیشنهاد کرد. این روش هیچ تفاوتی با توموگرافی کامپیوتری پزشکی یا سی تی اسکن که در بیمارستان های سراسر جهان انجام می شود ندارد.
منطقه فشرده در اطراف مرکز کهکشان یک مکان افراطی است که در آن گاز مغناطیسی داغ با سرعت های نسبیتی به دور یک سیاهچاله بسیار پرجرم می چرخد. [speeds approaching that of light]. لویس به Space.com گفت: «این محیط منحصر به فرد فوران‌های بسیار فعالی را که به عنوان شعله‌ها شناخته می‌شوند، نیرو می‌دهد، که نشانه‌های قابل مشاهده در طول موج‌های اشعه ایکس، فروسرخ و رادیویی را بر جای می‌گذارند. اخیراً نظریه‌پردازان مکانیسم‌های متعددی را برای ظهور چنین شراره‌هایی پیشنهاد کرده‌اند که یکی از آنها از طریق مناطق فشرده و بسیار روشنی است که ناگهان در قرص برافزایش شکل می‌گیرند.
او افزود که نتیجه اصلی این کار این است که ساختار سه بعدی روشنایی رادیویی اطراف Sgr A* بلافاصله پس از شناسایی شعله ور چگونه به نظر می رسید.
ساختن سیاهچاله از یک پیکسل
لویس گفت: “کمان A* در قلب کهکشان راه شیری ما قرار دارد و آن را به نزدیکترین سیاهچاله ابرپرجرم و کاندیدای اصلی برای مطالعه چنین شراره هایی تبدیل می کند.” برای انجام موثر این کار، زمانی که مشاهدات ALMA با یک شعله ی آتش منطبق می شوند، هنوز به یک عنصر شانس نیاز دارید.
او توضیح داد که در 11 آوریل 2017، ALMA بلافاصله پس از فوران شدیدی که با اشعه ایکس ثبت شد، Sagittarius A* را زیر نظر داشت. داده‌های رادیویی به‌دست‌آمده توسط ALMA حاوی یک سیگنال دوره‌ای است که با آنچه برای یک مدار به دور Sgr A* انتظار می‌رود، سازگار است.
لویس افزود: «این ما را بر آن داشت تا یک رویکرد محاسباتی ایجاد کنیم که می‌تواند ساختار سه بعدی را از داده‌های سری زمانی ALMA استخراج کند. برخلاف تصویر دوبعدی گرفته شده توسط تلسکوپ افق رویداد (EHT) از Sagittarius A*، ما علاقه مند به بازیابی حجم سه بعدی بودیم و برای انجام این کار، به مدل سازی فیزیکی چگونگی حرکت نور در مسیرهای منحنی در داخل سیاهی تکیه کردیم. میدان گرانشی قوی حفره.»
برای دستیابی به نتایج خود، دانشمندان به فیزیک برگرفته از نظریه گرانش و نسبیت عام آلبرت انیشتین در سال 1915 نگاه کردند و سپس آن مفاهیم را در مورد سیاهچاله های کلان جرم بر روی یک شبکه عصبی به کار بردند. سپس از این مش برای ایجاد مدل Sgr A* استفاده شد.
این کار یک همکاری منحصر به فرد بین ستاره شناسان و دانشمندان کامپیوتر است که ابزارهای محاسباتی پیشرفته ای را از هر دو حوزه هوش مصنوعی و فیزیک گرانشی توسعه می دهند، که هر کدام بخش مهمی از کل را در این اولین تلاش برای آشکار ساختن ساختار انتشار رادیویی سه بعدی در اطراف سهیم می کند. … Sgr A. * گفت: Levis. نتیجه یک تصویر به معنای معمول نیست، بلکه یک تصویر محاسباتی سه‌بعدی است که از مشاهدات سری زمانی با محدود کردن یک شبکه عصبی به فیزیک مورد انتظار در مورد چگونگی چرخش گاز به دور سیاهچاله و نحوه تابش تابش سنکروترون در این فرآیند استخراج شده است. “
او توضیح داد که این تیم به صورت محاسباتی “انتشار” سه بعدی را در مدار اطراف Sagittarius A* قرار داده است که از یک ساختار تصادفی شروع می شود. از طریق ردیابی پرتو، که به شبیه‌سازی گرافیکی رفتار فیزیکی نور اشاره دارد، لویس و همکارانش توانستند مدل‌سازی کنند که ALMA چگونه می‌تواند ساختار اطراف Sagittarius A* را در زمان‌های آینده ببیند. این الگوها بعد از 10 دقیقه شعله ور شدن شروع شد، بعد از 20 دقیقه، بعد از 30 دقیقه و به همین ترتیب.
لویس افزود: «تکنیک میدان‌های تابشی عصبی و ردیابی پرتوهای نسبیتی عام راهی برای شروع تغییر ساختار سه‌بعدی به ما می‌دهد تا مدل با مشاهدات مطابقت داشته باشد.»
این تیم دریافتند که این به نتایجی در مورد محیط اطراف Sagittarius A* رسیده است که قبلاً توسط تئوری پیش‌بینی شده بود، زیرا نشان داد که روشنایی در چندین منطقه کوچک در دیسک برافزایش متمرکز است. با این حال، جنبه های این کار برای لویس و بقیه اعضای تیم شگفت آور بود.
این محقق گفت: “بزرگترین شگفتی این بود که ما توانستیم ساختار سه بعدی را از مشاهدات منحنی نور بازیابی کنیم… اساساً یک ویدئو از یک پیکسل چشمک زن.” در مورد آن فکر کنید: اگر به شما بگویم که می توانید یک ویدیو را فقط از یک پیکسل بازیابی کنید، می گویید که عملاً غیرممکن به نظر می رسد.
ما ساختار سه بعدی انتشار در اطراف سیاهچاله را بازیابی می کنیم و می توانیم از فیزیک گرانش و انتشار مورد انتظار برای محدود کردن بازسازی خود استفاده کنیم.
لویس افزود، این واقعیت که ALMA نه تنها شدت نور، بلکه قطبش آن را نیز اندازه گیری می کند، به تیم سیگنال بسیار مفیدی داد که حاوی سرنخ هایی در مورد ساختار سه بعدی شراره ها در اطراف Sagittarius A* است.
در ادامه، لویس گفت که او و تیم قصد دارند شبیه‌سازی را اجرا کنند و در عین حال پارامترهای فیزیک مورد استفاده برای محدود کردن هوش مصنوعی را تغییر دهند.
لویس در پایان گفت: «این نتایج نشان‌دهنده اولین گام هیجان‌انگیز بر اساس این باور است که Sagittarius A* یک سیاهچاله است که محیط آن توسط مدل‌های گرانشی و گسیلی تجویز شده اداره می‌شود؛ دقت نتایج ما به اعتبار این مفروضات بستگی دارد.» در آینده، ما می‌خواهیم این محدودیت‌ها را کاهش دهیم تا انحرافات از فیزیک مورد انتظار را فراهم کنیم.
رویکرد ما که هم افزایی بین فیزیک و هوش مصنوعی را مهار می‌کند، دری را به روی پرسش‌های جدید هیجان‌انگیزی باز می‌کند که پاسخ‌های آنها به پیشرفت درک ما از سیاه‌چاله‌ها و جهان ادامه می‌دهد.»
تحقیقات این تیم روز دوشنبه (22 آوریل) در مجله Nature Astronomy منتشر شد.
