Sztuczna inteligencja pozwoliła udoskonalić pierwsze zdjęcie czarnej dziury

Wykorzystując techniki nauczania maszynowego, zespół naukowców udoskonalił pierwsze wykonane w historii zdjęcie czarnej dziury – supermasywnej czarnej dziury znajdującej się w centrum galaktyki Messier 87, znanej też jako M87. Odświeżona fotografia reprezentuje pełną rozdzielczość oferowaną przez zespół teleskopów, który ją wykonał – tworzący Teleskop Horyzontu Zdarzeń (ETH).

Czarna dziura widziana jeszcze lepiej

Czarne dziury to jedne z najmasywniejszych obiektów we Wszechświecie. Ich przyciąganie grawitacyjne jest tak silne, że spoza ich horyzontu zdarzeń nie jest w stanie uciec nawet światło. Dlatego samych czarnych dziur nie jesteśmy w stanie dostrzec. Możemy jednak zobaczyć rozgrzaną materię otaczającą czarne dziury i to właśnie ją widać na zdjęciu supermasywnej czarnej dziury położonej w centrum M87.

Sztuczna inteligencja wyostrzyła dotychczas rozmyte zdjęcie czarnej dziury, pokazując, że techniki nauczania maszynowego mogą stanowić nieocenioną pomoc w pracy astrofizyków. Praca poświęcona nowej wersji fotografii została opublikowana w czasopiśmie Astrophysical Journal Letters.

Wyostrzone przez sztuczną inteligencję zdjęcie supermasywnej czarnej dziury położonej w centrum galaktyki M87. | Źródło: ETH Collaboration

„Około cztery lata po tym, gdy w ramach projektu ETH w 2019 roku ujawniliśmy pierwsze zdjęcie czarnej dziury, osiągnęliśmy kolejny kamień milowy. Stworzyliśmy zdjęcie, które wykorzystuje pełną rozdzielczość całego układu teleskopów.”, powiedział Dimitrios Psaltis z Instytutu Technicznego Georgii, jeden z naukowców pracujących nad ETH. „Nowe techniki nauczania maszynowego, które opracowaliśmy, zapewniają doskonałą okazję ku temu, by w ramach naszej wspólnej pracy zrozumieć fizykę czarnych dziur.”

Rezultat lat pracy

Uzyskanie pierwszego w historii zdjęcia czarnej dziury, opublikowanego w 2019 roku, wymagało niemałego wysiłku. Do wykonania go wykorzystano łącznie 18 teleskopów – Teleskop Kosmiczny Chandra, Kosmiczny Teleskop Hubble’a, Obserwatorium Kosmiczne Swift i wiele innych. Teleskopy te musiały obserwować czarną dziurę, oddaloną o 55 milionów lat świetlnych stąd, w dokładnie tym samym czasie.

W przygotowaniach do obserwacji supermasywnej czarnej dziury położonej w centrum M87, ich realizacji oraz analizie pozyskanych danych brało udział aż 760 naukowców z niemal 200 różnych instytucji. Niemniej, nawet użycie radioteleskopów z całego świata nie pozwoliło przyjrzeć się czarnej dziurze z M87 szczególnie dokładnie. Wykorzystując technikę nauczania maszynowego o nazwie PRIMO, udało się zwiększyć rozdzielczość zdjęcia – widoczny na nim obwarzanej przyjął w związku z tym kształt cienkiego pierścienia.

Porównanie starej (po lewej) i nowej (po prawej) wersji zdjęcia supermasywnej czarnej dziury z centrum M87. | Źródło: ETH Collaboration

„Wykorzystujemy fizykę, by uzupełnić regiony brakujących danych w sposób, jakiego nigdy nie stosowano, używając nauczanie maszynowe.”, powiedziała Lia Medeiros, badaczka z Institute for Advanced Study, główna autorka nowej pracy z Astrophysical Journal Letters. „Nasza metoda może okazać się przydatna w interferometrii, mającej zastosowania w wielu dziedzinach, od badań egzoplanet po medycynę.”

Ostrzejsze zdjęcia czarnych dziur mogą pozwolić fizykom dokładniej przyjrzeć się czarnych dziurom i lepiej poznać uch horyzonty zdarzeń. Warto wspomnieć, że w zeszłym roku naukowcy z ETH opublikowali też pierwsze zdjęcie supermasywnej czarnej dziury znajdującej się w centrum Drogi Mlecznej – Sagittarius A*. To zdjęcie również było mocno rozmyte. Ciekawe, jak bardzo naukowcy będą w stanie je udoskonalić dzięki swoim algorytmom.

Źródło: EurekAlert, fot. tyt. ETH Collaboration