Sagittarius A*: creato il primo video 3D del buco nero / Sagittarius A*: First 3D video of black hole created

Sagittarius A*: creato il primo video 3D del buco nero. Il procedimento del brevetto ENEA RM2012A000637 è molto utile in questo tipo di applicazione. / Sagittarius A*: First 3D video of black hole created. The process of the ENEA patent RM2012A000637 is very useful in this type of application.

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Gli scienziati del Caltech hanno sviluppato il primo video 3D che raffigura i brillamenti attorno a Sagittarius A*, il buco nero supermassiccio della nostra galassia, utilizzando tecniche di intelligenza artificiale e dati del telescopio ALMA. Questo studio interdisciplinare, che unisce astrofisica ed informatica, apre nuove possibilità per comprendere gli ambienti dei buchi neri.

Sagittarius A*, il buco nero supermassiccio nella Via Lattea

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 hanno mostrato che all’interno di un tale disco si verificano bagliori misteriosi più volte al giorno, che si illuminano temporaneamente e poi svaniscono.

Ora un gruppo guidato da scienziati del Caltech ha utilizzato i dati del telescopio ed una tecnica di visione artificiale dell’intelligenza artificiale (AI) per recuperare il primo video tridimensionale che mostra come potrebbero apparire tali brillamenti attorno a Sagittarius A*, il buco nero supermassiccio nel cuore della Via Lattea.

La struttura del bagliore 3D ha presentato 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 direttamente dopo un’eruzione osservata nei dati a raggi X l’11 aprile 2017.

Katie Bouman, professoressa di informatica e scienze matematiche, ingegneria elettrica e astronomia al Caltech, ha dichiarato: “Questa è la prima ricostruzione tridimensionale del gas che ruota vicino ad un buco nero, in questo caso Sagittarius A*”.

Aviad Levis, ricercatore post-dottorato nel gruppo di Bouman ed autore principale del nuovo articolo, ha sottolineato 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 dei buchi neri. C’è ancora molta incertezza ad esso associata poiché dipende dall’accuratezza di questi modelli”.

L’IA e la fisica svelano il volto di Sagittarius A*

Per ricostruire l’immagine 3D, il gruppo 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 gruppo multidisciplinare ha valutato innanzitutto se fosse possibile creare un video 3D dei bagliori attorno ad 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 ha lavorato per fare lo stesso con i dati EHT di Sagittarius A*.

Pratul Srinivasan di Google Research, coautore del nuovo articolo ha contribuito a sviluppare una tecnica nota come campi di radianza neurale (NeRF). NeRF utilizza il deep learning per creare una rappresentazione 3D di una scena basata su immagini 2D. Questa fornisce un modo per osservare le scene da diverse angolazioni, anche quando sono disponibili solo viste limitate.

Il gruppo si è chiesto, quindi, se basandosi su questi recenti sviluppi nelle rappresentazioni delle reti neurali, sarebbe stato possibile ricostruire l’ambiente 3D attorno ad un buco nero. La ricerca è stata pubblicata sulla rivista Nature Astronomy.

Con queste informazioni i ricercatori hanno costruito una versione di NeRF che tiene conto di come il gas si muove attorno ai buchi neri. Ma è stato necessario considerare anche il modo in cui la luce si piega attorno ad oggetti massicci come questi. Sotto la guida del coautore Andrew Chael dell’Università di Princeton, il gruppo 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. 

Una fiammata attorno a Sagittarius A* per studiarlo

Il telescopio ALMA ha fornito immagini di Sagittarius A* basati 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.

Maciek Wielgus dell’Istituto Max Planck per la radioastronomia in Germania ha osservato i dati ALMA  e 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 Sagittarius A*. Il gruppo si è proposto quindi di recuperare la struttura 3D di quell’illuminamento.

ALMA è uno dei radiotelescopi più potenti al mondo. Tuttavia, a causa della grande distanza dal centro galattico (più di 26.000 anni luce), non ha la risoluzione necessaria per vedere gli immediati dintorni di Sagittarius A*. ALMA misura le 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 gruppo è riuscito a superare la mancanza di informazioni spaziali nei dati ALMA.

ALMA non cattura solo una singola curva di luce, ma fornisce diversi “video” di questo tipo per ogni osservazione. 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.

Recenti studi teorici hanno suggerito 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. Questo 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.

Conclusioni

Per capire una probabile struttura 3D che spiegasse le osservazioni, il gruppo ha sviluppato una versione aggiornata del suo metodo che incorporava non solo la fisica della flessione della luce e la dinamica attorno ad un buco nero, ma anche l’emissione polarizzata prevista nei punti caldi in orbita attorno ad un buco nero.

In questa tecnica, ogni potenziale struttura di flare è rappresentata come un volume continuo utilizzando una rete neurale. Questo ha consentito ai ricercatori di far progredire computazionalmente la struttura 3D iniziale di un hotspot nel tempo mentre orbita attorno a Sagittarius A* per creare un’intera curva di luce. Il gruppo ha 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 Sagittarius A*. 

Levis ha affermato che il lavoro è stato unicamente interdisciplinare: “C’è una collaborazione tra scienziati informatici ed astrofisici, che 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 attorno ai buchi neri, sia il lavoro di imaging computazionale che abbiamo svolto”.

Gli scienziati hanno sottolineato che 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. Speriamo che gli astronomi possano usarlo su altre ricche serie di dati temporali per far luce sulle dinamiche complesse di altri eventi simili e per trarre nuove conclusioni”.

Il lavoro è stato sostenuto dai finanziamenti della National Science Foundation, del Carver Mead New Adventures Fund del Caltech, della Princeton Gravity Initiative e del Consiglio europeo della ricerca.

ENGLISH

Caltech scientists have developed the first 3D video depicting flares around Sagittarius A*, our galaxy's supermassive black hole, using artificial intelligence techniques and data from the ALMA telescope. This interdisciplinary study, combining astrophysics and computer science, opens up new possibilities for understanding black hole environments.

Sagittarius A*, the supermassive black hole in the Milky Way

Scientists believe that the environment immediately surrounding a black hole is tumultuous, characterized by hot, magnetized gas spiraling in a disk at enormous speeds and temperatures. Astronomical observations have shown that mysterious flares occur within such a disk several times a day, brightening temporarily and then fading away.

Now a team led by Caltech scientists has used telescope data and an artificial intelligence (AI) computer vision technique to recover the first three-dimensional video showing what such flares might look like around Sagittarius A*, the supermassive black hole in the heart of the Milky Way.

The 3D flare structure featured two bright, compact structures located about 75 million kilometers (or half the distance between the Earth and the Sun) from the center of the black hole. It is based on data collected by the Atacama Large Millimeter Array (ALMA) in Chile over a 100-minute period directly after an eruption observed in X-ray data on April 11, 2017.

Katie Bouman, professor of computer and mathematical sciences, electrical engineering and astronomy at Caltech, said: “This is the first three-dimensional reconstruction of gas rotating near a black hole, in this case Sagittarius A*.”

Aviad Levis, a postdoctoral researcher in Bouman's group and lead author of the new paper, emphasized that while the video is not a simulation, it is also not a direct recording of the events as they took place: “It is a reconstruction based on our models of black hole physics. There is still a lot of uncertainty associated with it as it depends on the accuracy of these models."

AI and physics reveal the face of Sagittarius A*

To reconstruct the 3D image, the team had to develop new computational imaging tools that could, for example, account for the deflection of light due to the curvature of space-time around objects of enormous gravity, such as a black hole.

The multidisciplinary team first assessed whether it was possible to create a 3D video of the flares around a black hole in June 2021. The Event Horizon Telescope (EHT) collaboration, of which Bouman and Levis are members, had already published the first image of the black hole supermassive at the center of a distant galaxy, called M87, and worked to do the same with EHT data from Sagittarius A*.

Google Research's Pratul Srinivasan, a co-author of the new paper, helped develop a technique known as neural radiance fields (NeRF). NeRF uses deep learning to create a 3D representation of a scene based on 2D images. This provides a way to observe scenes from different angles, even when only limited views are available.

The team then asked whether, based on these recent developments in neural network representations, it would be possible to reconstruct the 3D environment around a black hole. The research was published in the journal Nature Astronomy.

With this information, the researchers built a version of NeRF that takes into account how gas moves around black holes. But it was also necessary to consider the way light bends around massive objects like these. Led by co-author Andrew Chael of Princeton University, the team developed a computer model to simulate this bending, also known as gravitational lensing.

With these considerations in mind, the new version of NeRF was able to recover the structure of bright features orbiting the event horizon of a black hole.

A blaze around Sagittarius A* to study it

The ALMA telescope provided images of Sagittarius A* based on data collected from April 6 to 7, 2017, relatively calm days in the environment surrounding the black hole. But astronomers detected a sudden, explosive brightening nearby just a few days later, on April 11.

Maciek Wielgus of the Max Planck Institute for Radio Astronomy in Germany looked at the ALMA data and noticed a signal with a period corresponding to the time it took for a bright spot within the disk to complete an orbit around Sagittarius A*. The team therefore set out to recover the 3D structure of that illuminance.

ALMA is one of the most powerful radio telescopes in the world. However, due to the large distance from the galactic center (more than 26,000 light-years), it does not have the resolution needed to see the immediate surroundings of Sagittarius A*. ALMA measures light curves, which are essentially videos of a single flickering pixel, created by collecting all the radio-wavelength light detected by the telescope for each observation moment.

Recovering a 3D volume from a single-pixel video might seem impossible. However, by taking advantage of additional information about the expected disk physics around black holes, the team was able to overcome the lack of spatial information in the ALMA data.

ALMA not only captures a single light curve, but provides several such “videos” for each observation. Like wavelength and intensity, polarization is a fundamental property of light and represents the direction in which the electrical component of a light wave is oriented relative to the general direction of travel of the wave.

Recent theoretical studies have suggested that the hot spots that form within the gas are strongly polarized, meaning that light waves coming from these hot spots have a distinct preferred direction of orientation. This is in contrast to the rest of the gas, which has a more random or scrambled orientation. By collating the different polarization measurements, the ALMA data provided scientists with information that could help locate where the emission was coming from in 3D space.

Conclusions

To figure out a likely 3D structure that explained the observations, the team developed an updated version of its method that incorporated not only the physics of light bending and dynamics around a black hole, but also the polarized emission expected at hot spots orbiting a black hole.

In this technique, each potential flare structure is represented as a continuous volume using a neural network. This allowed the researchers to computationally advance the initial 3D structure of a hotspot over time as it orbits Sagittarius A* to create an entire light curve. The team could then find the best initial 3D structure that, when progressed in time according to the physics of the black hole, matched the ALMA observations.

The result is a video showing the clockwise motion of two compact bright regions tracing a path around the black hole Sagittarius A*.

Levis said the work was uniquely interdisciplinary: “There is a collaboration between computer scientists and astrophysicists, which is extraordinarily synergistic. Together, we have developed something that is cutting edge in both fields: both the development of numerical codes that model how light propagates around black holes, and the computational imaging work we have done."

The scientists stressed that it is only the beginning of this exciting technology: “This is a really interesting application of how artificial intelligence and physics can come together to reveal something that would otherwise be invisible. We hope that astronomers can use it on other rich time series data to shed light on the complex dynamics of other similar events and to draw new conclusions."

The work was supported by funding from the National Science Foundation, Caltech's Carver Mead New Adventures Fund, the Princeton Gravity Initiative, and the European Research Council.

Da:

https://reccom.org/sagittarius-a-creato-il-primo-video-3d-del-buco-nero/?fbclid=IwZXh0bgNhZW0CMTEAAR1ZpBUdyE7n_pWX7gEOY9gDK6l33kPd-OVdYkcz4cB0h32tdnhPiihfRWE_aem_AaZWWjS8wb8hbTvmtsntPdjIBvFyWqtqZZUUePz1mKgY3UTimAIm2OAQc1VeEcEi8YWYlNq6Yz6dbYA6Jtr5uAf-