Los científicos creen que el entorno que rodea inmediatamente a un agujero negro es tumultuoso y presenta gas magnetizado caliente que gira en espiral en un disco a velocidades y temperaturas tremendas. Las observaciones astronómicas muestran que dentro de dicho disco se producen misteriosas llamaradas varias veces al día, que se iluminan temporalmente y luego se desvanecen.
Ahora, un equipo dirigido por científicos de Caltech ha utilizado datos de telescopios y una técnica de visión por computadora de inteligencia artificial (IA) para recuperar el primer video tridimensional que muestra cómo podrían verse tales llamaradas alrededor de Sagitario A* (Sgr A*), el agujero negro supermasivo. en el corazón de nuestra propia galaxia, la Vía Láctea.
La estructura de la llamarada 3D presenta dos características brillantes y compactas ubicadas a unos 75 millones de kilómetros (o la mitad de la distancia entre la Tierra y el Sol) del centro del agujero negro. Se basa en datos recopilados por el Atacama Large Millimeter Array (ALMA) en Chile durante un período de 100 minutos inmediatamente después de una erupción observada en datos de rayos X el 11 de abril de 2017.
"Esta es la primera reconstrucción tridimensional de gas que gira cerca de un agujero negro", dice Katie Bouman, profesora asistente de informática y ciencias matemáticas, ingeniería eléctrica y astronomía en Caltech, cuyo grupo dirigió el esfuerzo descrito en un artículo en Astronomía Natural titulado "Tomografía polarimétrica orbital de una llamarada cerca del agujero negro supermasivo de Sagitario A*".
Aviad Levis, investigador postdoctoral del grupo de Bouman y autor principal del artículo, enfatiza que si bien el video no es una simulación, tampoco es una grabación directa de los eventos tal como tuvieron lugar. "Es una reconstrucción basada en nuestros modelos de física de agujeros negros. Todavía hay mucha incertidumbre asociada a ella porque depende de que estos modelos sean precisos", afirma.
Para reconstruir la imagen en 3D, el equipo tuvo que desarrollar nuevas herramientas de imágenes computacionales que pudieran, por ejemplo, explicar la curvatura de la luz debido a la curvatura del espacio-tiempo alrededor de objetos de enorme gravedad, como un agujero negro.
El equipo multidisciplinario consideró por primera vez si sería posible crear un vídeo en 3D de las llamaradas alrededor de un agujero negro en junio de 2021. La colaboración del Event Horizon Telescope (EHT), de la que son miembros Bouman y Levis, ya había publicado la primera imagen del agujero negro supermasivo en el núcleo de una galaxia distante, llamado M87, y estaba trabajando para hacer lo mismo con datos EHT de Sgr A*.
Pratul Srinivasan de Google Research, coautor del nuevo artículo, estaba en ese momento visitando al equipo de Caltech. Había ayudado a desarrollar una técnica conocida como campos de radiación neuronal (NeRF) que los investigadores apenas comenzaban a utilizar; Desde entonces, ha tenido un gran impacto en los gráficos por computadora. NeRF utiliza el aprendizaje profundo para crear una representación 3D de una escena basada en imágenes 2D. Proporciona una manera de observar escenas desde diferentes ángulos, incluso cuando solo hay vistas limitadas disponibles de la escena.
El equipo se preguntó si, aprovechando estos recientes desarrollos en representaciones de redes neuronales, podrían reconstruir el entorno 3D alrededor de un agujero negro. Su gran desafío:desde la Tierra, como desde cualquier lugar, solo tenemos un único punto de vista del agujero negro.
El equipo pensó que podrían superar este problema porque el gas se comporta de una manera algo predecible a medida que se mueve alrededor del agujero negro. Considere la analogía de intentar capturar una imagen en 3D de un niño que lleva una cámara de aire alrededor de su cintura.
Para capturar una imagen de este tipo con el método NeRF tradicional, necesitaría fotografías tomadas desde múltiples ángulos mientras el niño permanecía inmóvil. Pero, en teoría, podrías pedirle al niño que gire mientras el fotógrafo permanece quieto tomando fotografías.
Las instantáneas cronometradas, combinadas con información sobre la velocidad de rotación del niño, podrían usarse para reconstruir la escena 3D igualmente bien. De manera similar, aprovechando el conocimiento sobre cómo se mueve el gas a diferentes distancias desde un agujero negro, los investigadores intentaron resolver el problema de reconstrucción de llamaradas en 3D con mediciones tomadas desde la Tierra a lo largo del tiempo.
Con esta información en la mano, el equipo construyó una versión de NeRF que tiene en cuenta cómo se mueve el gas alrededor de los agujeros negros. Pero también era necesario considerar cómo la luz se curva alrededor de objetos masivos como los agujeros negros. Bajo la dirección del coautor Andrew Chael de la Universidad de Princeton, el equipo desarrolló un modelo informático para simular esta curvatura, también conocida como lente gravitacional.
Con estas consideraciones en su lugar, la nueva versión de NeRF pudo recuperar la estructura de características brillantes que orbitan alrededor del horizonte de sucesos de un agujero negro. De hecho, la prueba de concepto inicial mostró resultados prometedores con datos sintéticos.
Pero el equipo necesitaba algunos datos reales. Ahí es donde entró ALMA. La ahora famosa imagen de Sgr A* del EHT se basó en datos recopilados del 6 al 7 de abril de 2017, que fueron días relativamente tranquilos en el entorno que rodea al agujero negro. Pero los astrónomos detectaron un brillo explosivo y repentino en los alrededores apenas unos días después, el 11 de abril.
Cuando Maciek Wielgus, miembro del equipo del Instituto Max Planck de Radioastronomía en Alemania, revisó los datos de ALMA de ese día, notó una señal con un período que coincidía con el tiempo que le tomaría a un punto brillante dentro del disco completar una órbita alrededor. Señor A*. El equipo se propuso recuperar la estructura 3D de ese brillo alrededor de Sgr A*.
ALMA es uno de los radiotelescopios más potentes del mundo. Sin embargo, debido a la gran distancia al centro galáctico (más de 26.000 años luz), ni siquiera ALMA tiene la resolución para ver los alrededores inmediatos de Sgr A*. Lo que ALMA mide son curvas de luz, que son esencialmente videos de un solo píxel parpadeante, que se crean al recolectar toda la luz de longitud de onda de radio detectada por el telescopio en cada momento de observación.
Recuperar un volumen 3D de un vídeo de un solo píxel puede parecer imposible. Sin embargo, al aprovechar información adicional sobre la física que se espera para el disco alrededor de los agujeros negros, el equipo pudo sortear la falta de información espacial en los datos de ALMA.
ALMA no captura simplemente una única curva de luz. De hecho, proporciona varios "vídeos" de este tipo para cada observación porque el telescopio registra datos relacionados con diferentes estados de polarización de la luz. Al igual que la longitud de onda y la intensidad, la polarización es una propiedad fundamental de la luz y representa en qué dirección se orienta el componente eléctrico de una onda de luz con respecto a la dirección general de viaje de la onda.
"Lo que obtenemos de ALMA son dos vídeos polarizados de un solo píxel", afirma Bouman, que también es becario Rosenberg e investigador del Heritage Medical Research Institute. "Esa luz polarizada es realmente muy informativa."
Estudios teóricos recientes sugieren que los puntos calientes que se forman dentro del gas están fuertemente polarizados, lo que significa que las ondas de luz provenientes de estos puntos calientes tienen una dirección de orientación preferida distinta. Esto contrasta con el resto del gas, que tiene una orientación más aleatoria o revuelta. Al recopilar las diferentes mediciones de polarización, los datos de ALMA brindaron a los científicos información que podría ayudar a localizar de dónde provenía la emisión en el espacio 3D.
Para descubrir una posible estructura 3D que explicara las observaciones, el equipo desarrolló una versión actualizada de su método que no sólo incorporaba la física de la curvatura de la luz y la dinámica alrededor de un agujero negro, sino también la emisión polarizada esperada en los puntos calientes que orbitan alrededor de un agujero negro. En esta técnica, cada estructura de llamarada potencial se representa como un volumen continuo utilizando una red neuronal.
Esto permite a los investigadores progresar computacionalmente la estructura 3D inicial de un punto de acceso a lo largo del tiempo a medida que orbita el agujero negro para crear una curva de luz completa. Luego pudieron encontrar la mejor estructura 3D inicial que, cuando progresó en el tiempo de acuerdo con la física de los agujeros negros, coincidió con las observaciones de ALMA.
El resultado es un vídeo que muestra el movimiento en el sentido de las agujas del reloj de dos regiones compactas y brillantes que trazan un camino alrededor del agujero negro. "Esto es muy emocionante", dice Bouman. "No tenía por qué haber aparecido de esta manera. Podría haber habido un brillo arbitrario esparcido por todo el volumen. El hecho de que esto se parezca mucho a las llamaradas que predicen las simulaciones por computadora de agujeros negros es muy emocionante".
Levis dice que el trabajo fue excepcionalmente interdisciplinario:"Existe una asociación entre científicos informáticos y astrofísicos, que es singularmente sinérgica. Juntos, desarrollamos algo que es de vanguardia en ambos campos:el desarrollo de códigos numéricos que modelan cómo se propaga la luz alrededor agujeros negros y el trabajo de imágenes computacionales que hicimos."
Los científicos señalan que esto es sólo el comienzo de esta apasionante tecnología. "Esta es una aplicación realmente interesante de cómo la IA y la física pueden unirse para revelar algo que de otro modo no se vería", dice Levis. "Esperamos que los astrónomos puedan utilizarlo con otros ricos datos de series temporales para arrojar luz sobre la dinámica compleja de otros eventos similares y sacar nuevas conclusiones".
Más información: Aviad Levis, Tomografía polarimétrica orbital de una llamarada cerca del agujero negro supermasivo Sagitario A*, Nature Astronomy (2024). DOI:10.1038/s41550-024-02238-3. www.nature.com/articles/s41550-024-02238-3
Información de la revista: Astronomía de la Naturaleza
Proporcionado por el Instituto de Tecnología de California
