Культовый первый в истории вид сверхмассивной черной дыры выглядит совершенно по-новому благодаря машинному обучению.
Картинка, покорившая мир в 2019 году, показала яркий, размытый бублик из света. Но исследования, опубликованные в Письма из астрофизического журнала 13 апреля этот вид становится узким кольцом на резком черном фоне. По словам ученых, новое изображение закладывает основу для будущих достижений в нашем понимании черных дыр.
«Я думаю, что они действительно находятся в этой прекрасной нише, где вы разрабатываете конкретный алгоритм для конкретной задачи, вкладываете физические знания и добиваетесь значительного прогресса», — говорит Тициана Ди Маттео, астрофизик из Университета Карнеги-Меллона, которая использует машинное обучение в своих собственных исследованиях. работать и не участвовал в новом исследовании. «Это прекрасный пример того, как вещи можно улучшить, как вы можете видеть дальше, как вы можете видеть четче, в буквальном смысле», — говорит она.
Галактика M87 находится примерно в 54 миллионах световых лет от Земли. В его сердце находится черная дыра, масса которой примерно в 6,5 миллиардов раз превышает массу нашего Солнца. Этот гигант — одна из двух главных целей Телескопа Горизонта Событий (EHT), коалиции радиообсерваторий, расположенных по всему миру. Объединив данные из этих источников, ученые, по сути, построили телескоп размером с Землю — достаточно мощный, чтобы запечатлеть детали яркой материи, вращающейся вокруг черной дыры.
Но у EHT есть фундаментальная проблема: его данные неоднородны, как сцена, наблюдаемая через грязное окно, где свет проходит только через несколько пятен. Изображение 2019 года и его новый компаньон были основаны на данных, собранных лишь из нескольких мест на планете, что оставило большие пробелы во взглядах ученых на черную дыру.
Вот где на помощь приходит машинное обучение. За оригинальным и сегодняшним улучшенным изображением черной дыры M87 стоят методы визуализации, использующие машинное обучение в качестве своего рода «математического детектива», говорит Кадзунори Акияма, астрофизик из Массачусетского технологического института. Haystack Observatory, который является членом Event Horizon Telescope Collaboration, но не принимал участия в новом исследовании.
Когда ученые создавали исходное изображение, они полагались на общую систему машинного обучения, чтобы заполнить пробелы. (Такая система, например, могла бы решить, что два соседних пикселя, скорее всего, будут иметь примерно одинаковую яркость, а не сильно различаться.) Когда в результате этого процесса появилось характерное кольцеобразное изображение, это помогло убедить ученых в том, что они действительно искали у черной дыры. Но размытость кольца затруднила изучение черной дыры.
«Мы думали — и правильно думали — что это самый первый раз, когда кто-либо видел черную дыру, и мы действительно хотели не делать никаких предположений по этому поводу», — говорит Лия Медейрос, астрофизик из Института перспективных исследований в США. Принстон, штат Нью-Джерси, и автор нового исследования, который также помог создать образ 2019 года. «Ни один человек никогда не видел этого раньше, и поэтому мы не хотели предполагать, что это будет согласовываться с нашими теориями».
Уверенные в том, что первоначальный метод EHT, дополненный искусственным интеллектом, хорошо сработал для изображения 2019 года, Медейрос и ее коллеги решили повысить ставку с помощью слегка отличающейся и, возможно, более сложной замены: подхода машинного обучения, который они называют интерферометрическим моделированием основных компонентов. (ПРИМО).
PRIMO работает на основе правил, основанных на том, как ученые ожидают, как должны выглядеть черные дыры, которые алгоритм почерпнул из обучения на множестве смоделированных черных дыр с различными характеристиками — разной массой, разным вращением и так далее. В результате получается гораздо более специализированный алгоритм.
«Это совершенно новый метод, — говорит Акияма. «Они используют другое предположение о том, какое изображение вероятно».
Затем Медейрос и ее коллеги применили PRIMO к тем же исходным данным EHT. Правила, более ориентированные на физику, создают гораздо более четкое изображение, изображающее более узкое кольцо, окружающее действительно черный центр. А поскольку ученые считают, что такие характеристики, как ширина кольца, отражают фундаментальные особенности черной дыры, более четкое изображение может изменить представление ученых об этом массивном объекте. Однако новое исследование не углубляется в эти потенциальные последствия. Документы, которые сделают это, все еще находятся в работе, говорит Медейрос.
И, как и культовое изображение 2019 года, новое изображение PRIMO не станет нашим последним портретом черной дыры M87. Акияма хочет, чтобы алгоритм PRIMO был протестирован более тщательно, и Ди Маттео подчеркивает, что этот подход будет становиться все сильнее, поскольку ученые продолжают оттачивать свое понимание физики, управляющей черными дырами.
Зири Юнси, астрофизик из Университетского колледжа Лондона, который является членом коллаборации Event Horizon Telescope, но не принимал участия в новом исследовании, соглашается. «Очевидно, что необходимо проделать дополнительную работу, чтобы изучить этот алгоритм и провести дополнительные тесты, но потенциально это очень впечатляющий результат», — говорит он.
