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 e 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 team guidato da scienziati del Caltech ha utilizzato i dati del telescopio e 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 a un buco nero, in questo caso Sagittarius A*”.
Aviad Levis, ricercatore post-dottorato nel gruppo di Bouman e 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 team 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 team multidisciplinare ha valutato innanzitutto se fosse possibile creare un video 3D dei bagliori attorno a 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 team si è chiesto, quindi, se basandosi su questi recenti sviluppi nelle rappresentazioni delle reti neurali, sarebbe stato possibile ricostruire l’ambiente 3D attorno a 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 a oggetti massicci come questi. Sotto la guida del coautore Andrew Chael dell’Università di Princeton, il team 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 team 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 team 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 team ha sviluppato una versione aggiornata del suo metodo che incorporava non solo la fisica della flessione della luce e la dinamica attorno a un buco nero, ma anche l’emissione polarizzata prevista nei punti caldi in orbita attorno a 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 team 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 e 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.
