Gli scienziati ritengono che l’ambiente immediatamente circostante un buco nero sia tumultuoso, con gas caldo magnetizzato che si muove a spirale in un disco a velocità e temperature enormi. Le osservazioni astronomiche mostrano che all’interno di questo disco si verificano misteriosi brillamenti fino a diverse volte al giorno, che si accendono temporaneamente e poi svaniscono.
Ora un team guidato da scienziati del Caltech ha utilizzato i dati dei telescopi e una tecnica di intelligenza artificiale (AI) per recuperare il primo video tridimensionale che mostra come potrebbero apparire questi brillamenti intorno a Sagittarius A il buco nero supermassiccio nel cuore della nostra galassia la Via Lattea.
La struttura tridimensionale dei brillamenti presenta due elementi luminosi e compatti situati a circa 75 milioni di chilometri (ovvero la 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 in un periodo di 100 minuti direttamente dopo un’eruzione vista nei dati a raggi X l’11 aprile 2017.
“Questa è la prima ricostruzione tridimensionale del gas in rotazione vicino a un buco nero“, afferma Katie Bouman, assistente alla cattedra di informatica e scienze matematiche, ingegneria elettrica e astronomia al Caltech, il cui gruppo ha guidato lo sforzo descritto in un articolo su Nature Astronomy intitolato “Orbital Polarimetric Tomography of a Flare Near the Sagittarius A Supermassive Black Hole“.
Basandosi sui dati dei radiotelescopi e sui modelli della fisica dei buchi neri, un team guidato dal Caltech ha utilizzato le reti neurali per ricostruire un’immagine 3D che mostra come potrebbero apparire i brillamenti esplosivi nel disco di gas attorno al nostro buco nero supermassiccio, Sagittarius A(Video).
Aviad Levis, borsista post-dottorato del gruppo di Bouman e autore principale del lavoro, sottolinea che il video non è una simulazione, ma nemmeno una registrazione diretta degli eventi così come si sono svolti. “È una ricostruzione basata sui nostri modelli di fisica dei buchi neri. C’è ancora molta incertezza perché si basa sull’accuratezza di questi modelli”, afferma.
Utilizzo dell’intelligenza artificiale basata sulla fisica per individuare le possibili strutture 3D
Per ricostruire l’immagine 3D, il team ha dovuto sviluppare nuovi strumenti di imaging computazionale che potessero, ad esempio, tenere conto della curvatura della luce dovuta alla curvatura dello spazio-tempo intorno a oggetti di enorme gravità, come un buco nero.
Il team multidisciplinare ha innanzitutto valutato la possibilità di creare un video 3D dei brillamenti intorno a un buco nero nel giugno 2021. La Event Horizon Telescope (EHT) Collaboration, di cui Bouman e Levis sono membri, aveva già pubblicato la prima immagine del buco nero supermassiccio al centro di una galassia lontana, chiamata M87, e stava lavorando per fare lo stesso con i dati EHT di Sgr A.
Pratul Srinivasan di Google Research, coautore del nuovo lavoro, all’epoca era in visita al team del Caltech. Aveva contribuito a sviluppare una tecnica nota come Neural Radiance Fields (NeRF), che all’epoca iniziava a essere utilizzata dai ricercatori e che da allora ha avuto un enorme impatto sulla computer grafica. NeRF utilizza l’apprendimento profondo 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, fosse possibile ricostruire l’ambiente 3D intorno a un buco nero. La loro grande sfida: Dalla Terra, come dappertutto, abbiamo un solo punto di vista del buco nero.
Il team ha pensato di poter superare questo problema perché il gas si comporta in modo piuttosto prevedibile quando si muove intorno al buco nero. Consideriamo l’analogia del tentativo di catturare un’immagine 3D di un bambino che indossa una camera d’aria intorno alla vita.
Per catturare un’immagine del genere con il metodo NeRF tradizionale, occorrerebbero foto scattate da più angolazioni mentre il bambino rimane fermo. In teoria, però, si potrebbe chiedere al bambino di ruotare mentre il fotografo rimane fermo a scattare foto.
Le istantanee temporizzate, combinate con le informazioni sulla velocità di rotazione del buco nero, potrebbero essere utilizzate per ricostruire altrettanto bene la scena 3D. Allo stesso modo, sfruttando la conoscenza del modo in cui il gas si muove a distanze diverse da un buco nero, i ricercatori hanno cercato di risolvere il problema della ricostruzione dei brillamenti in 3D con misurazioni effettuate dalla Terra nel corso del tempo.
Con queste conoscenze, il team ha costruito una versione di NeRF che tiene conto del modo in cui il gas si muove intorno ai buchi neri. Ma doveva anche considerare il modo in cui la luce si piega intorno a oggetti massicci come i buchi neri. Sotto la guida del co-autore Andrew Chael dell’Università di Princeton, il team ha sviluppato un modello al computer per simulare questa curvatura, nota anche come lensing gravitazionale.
Con queste considerazioni, la nuova versione di NeRF è stata in grado di recuperare la struttura degli elementi luminosi orbitanti attorno all’orizzonte degli eventi di un buco nero. In effetti, il proof-of-concept iniziale ha mostrato risultati promettenti su dati sintetici.
Un brillamento intorno a Sgr A da studiare
Ma il team aveva bisogno di dati concreti. È qui che è entrato in gioco ALMA. L’ormai famosa immagine dell’EHT di Sgr A si basava sui dati raccolti il 6 e 7 aprile 2017, giorni relativamente tranquilli per l’ambiente circostante il buco nero. Ma gli astronomi hanno rilevato una schiarita esplosiva e improvvisa nei dintorni solo pochi giorni dopo, l’11 aprile.
Quando il membro del team Maciek Wielgus del Max Planck Institute for Radio Astronomy in Germania ha esaminato i dati ALMA di quel giorno, ha notato un segnale con un periodo corrispondente al tempo necessario a un punto luminoso all’interno del disco per completare un’orbita intorno a Sgr A. Il team ha cercato di recuperare la struttura tridimensionale di quella luminosità 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), anche ALMA non ha la risoluzione necessaria per vedere gli immediati dintorni di Sgr A. Ciò che ALMA misura sono le curve di luce, che sono essenzialmente video di un singolo pixel tremolante, creati raccogliendo tutta la luce di lunghezza d’onda radio rilevata dal telescopio per ogni momento dell’osservazione.
Recuperare un volume 3D da un video di un singolo pixel potrebbe sembrare impossibile. Tuttavia, sfruttando un’informazione aggiuntiva sulla fisica prevista per il disco intorno ai buchi neri, il team è riuscito ad aggirare la mancanza di informazioni spaziali nei dati di ALMA.
La luce fortemente polarizzata dei brillamenti ha fornito degli indizi
ALMA non cattura solo una singola curva di luce. Infatti, fornisce diversi “video” di questo tipo per ogni osservazione, perché il telescopio registra i dati relativi ai 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 la componente elettrica di un’onda luminosa è orientata rispetto alla direzione generale di marcia dell’onda.
“Quello che otteniamo da ALMA sono due video polarizzati a singolo pixel”, spiega Bouman, che è anche borsista Rosenberg e ricercatore dell’Heritage Medical Research Institute. “La 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 distinta direzione di orientamento preferita. Ciò è in contrasto con il resto del gas, che ha un orientamento più casuale o casuale. Raccogliendo le diverse misure di polarizzazione, i dati di ALMA hanno fornito agli scienziati informazioni utili per localizzare la provenienza dell’emissione nello spazio 3D.
Introduzione alla tomografia polarimetrica orbitale
Per individuare una probabile struttura tridimensionale che spiegasse le osservazioni, il team ha sviluppato una versione aggiornata del suo metodo che non solo incorpora la fisica della curvatura della luce e la dinamica intorno a un buco nero, ma anche l’emissione polarizzata prevista nei punti caldi in orbita intorno a un buco nero. In questa tecnica, ogni potenziale struttura di brillamento viene 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 risolvere la migliore struttura 3D iniziale che, progredendo 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 intorno al buco nero. “È molto emozionante“, afferma Bouman. “Non era necessario che venisse fuori in questo modo. Avrebbe potuto esserci una luminosità arbitraria sparsa in tutto il volume. Il fatto che assomigli molto ai brillamenti previsti dalle simulazioni al computer dei buchi neri è molto eccitante“.
Levis afferma che il lavoro è stato unicamente interdisciplinare: “Si tratta di una collaborazione tra informatici e astrofisici, una sinergia unica. 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 ai buchi neri, sia il lavoro di imaging computazionale che abbiamo svolto“.
Gli scienziati fanno notare che questo è solo l’inizio per questa entusiasmante tecnologia. “Si tratta di un’applicazione davvero interessante di come l’intelligenza artificiale e la fisica possano unirsi per rivelare qualcosa che altrimenti non si vede“, afferma Levis. “Speriamo che gli astronomi possano utilizzarla su altre ricche serie temporali di dati per far luce sulle dinamiche complesse di altri eventi simili e per trarre nuove conclusioni“.
La Macchina del Tempo 