Ilmuwan Caltech telah mengembangkan video 3D pertama yang menggambarkan suar di sekitar Sagitarius A*, lubang hitam supermasif di galaksi kita, menggunakan teknik AI dan data dari teleskop ALMA. Studi interdisipliner ini, yang memadukan astrofisika dan ilmu komputer, membuka kemungkinan baru untuk memahami lingkungan lubang hitam. (Konsep artis.) Kredit: SciTechDaily.com
Menggunakan AI dan ALMA Berdasarkan data tersebut, para ilmuwan membuat video suar 3D yang inovatif di sekitar pusat galaksi kita lubang hitammenawarkan wawasan baru tentang lingkungannya yang dinamis.
Para ilmuwan percaya bahwa lingkungan di sekitar lubang hitam sedang bergejolak, menampilkan gas magnet panas yang berputar dalam piringan dengan kecepatan dan suhu yang luar biasa. Pengamatan astronomi menunjukkan bahwa di dalam piringan tersebut, semburan api misterius terjadi hingga beberapa kali sehari, menjadi cerah untuk sementara dan kemudian menghilang. Kini sebuah tim yang dipimpin oleh ilmuwan Caltech telah menggunakan data teleskop dan teknik penglihatan komputer dengan kecerdasan buatan (AI) untuk memulihkan video tiga dimensi pertama yang menunjukkan seperti apa suar di sekitar Sagitarius A* (Sgr A*, diucapkan sadge-ay -bintang), lubang hitam supermasif di jantung kita Bima Sakti galaksi.
Struktur suar 3D menampilkan dua fitur terang dan kompak yang terletak sekitar 75 juta kilometer (atau setengah jarak antara Bumi dan Matahari) dari pusat lubang hitam. Hal ini berdasarkan data yang dikumpulkan oleh Atacama Large Millimeter Array (ALMA) di Chile dalam kurun waktu 100 menit langsung setelah terjadi letusan yang terlihat pada data sinar-X pada 11 April 2017.
“Ini adalah rekonstruksi tiga dimensi pertama dari gas yang berputar di dekat lubang hitam,” kata Katie Bouman, asisten profesor ilmu komputasi dan matematika, teknik elektro dan astronomi di Caltech, yang kelompoknya memimpin upaya yang dijelaskan dalam makalah baru yang diterbitkan hari ini. (22 April) masuk Astronomi Alam.
Aviad Levis, seorang sarjana postdoctoral di kelompok Bouman dan penulis utama makalah baru ini, menekankan bahwa meskipun video tersebut bukan simulasi, namun juga bukan rekaman langsung peristiwa yang terjadi. “Ini adalah rekonstruksi berdasarkan model fisika lubang hitam kami. Masih banyak ketidakpastian terkait hal ini karena model ini bergantung pada keakuratannya,” katanya.
Berdasarkan data teleskop radio dan model fisika lubang hitam, tim yang dipimpin oleh Caltech telah menggunakan jaringan saraf untuk merekonstruksi gambar 3D yang menunjukkan bagaimana ledakan ledakan di piringan gas di sekitar lubang hitam supermasif kita, Sagitarius A* (Sgr A *), mungkin terlihat. Di sini, struktur 3D yang direkonstruksi dilihat dari sudut tetap saat model berevolusi selama rentang waktu sekitar 100 menit, menunjukkan jalur yang dilacak oleh dua fitur terang di sekitar lubang hitam. Kredit: A. Levis/A. Chael/K. Bouman/M. Wielgus/P. Srinivasan
Menggunakan AI yang diinformasikan oleh fisika untuk mengetahui kemungkinan struktur 3D
Untuk merekonstruksi gambar 3D, tim harus mengembangkan alat pencitraan komputasi baru yang dapat, misalnya, menjelaskan pembengkokan cahaya akibat kelengkungan ruang-waktu di sekitar objek dengan gravitasi sangat besar, seperti lubang hitam.
Tim multidisiplin pertama kali mempertimbangkan apakah mungkin untuk membuat video 3D suar di sekitar lubang hitam pada Juni 2021. Kolaborasi Event Horizon Telescope (EHT), yang beranggotakan Bouman dan Levis, telah menerbitkan gambar pertama suar tersebut. lubang hitam supermasif di inti galaksi jauh, yang disebut M87, dan berupaya melakukan hal yang sama dengan data EHT dari Sgr A*. Pratul Srinivasan dari Google Research, salah satu penulis makalah baru ini, saat itu sedang mengunjungi tim di Caltech. Dia telah membantu mengembangkan teknik yang dikenal sebagai neural radiance field (NeRF) yang kemudian mulai digunakan oleh para peneliti; sejak itu berdampak besar pada grafik komputer. NeRF menggunakan pembelajaran mendalam untuk membuat representasi 3D dari sebuah pemandangan berdasarkan gambar 2D. Ini memberikan cara untuk mengamati pemandangan dari berbagai sudut, meskipun hanya tersedia pemandangan terbatas.
Tim bertanya-tanya apakah, dengan memanfaatkan perkembangan terkini dalam representasi jaringan saraf, mereka dapat merekonstruksi lingkungan 3D di sekitar lubang hitam. Tantangan besar mereka: Dari Bumi, seperti di mana pun, kita hanya mendapatkan satu sudut pandang terhadap lubang hitam.
Di sini, struktur 3D yang direkonstruksi ditampilkan sekaligus (9:20 UT), langsung setelah suar terdeteksi dalam sinar-X, dengan tampilan berputar untuk membantu memvisualisasikan struktur dari semua sudut. Kredit: A. Levis/A. Chael/K. Bouman/M. Wielgus/P. Srinivasan
Tim berpikir bahwa mereka mungkin dapat mengatasi masalah ini karena gas berperilaku dengan cara yang dapat diprediksi saat bergerak di sekitar lubang hitam. Perhatikan analogi mencoba menangkap gambar 3D seorang anak yang mengenakan ban dalam di pinggangnya. Untuk menangkap gambar seperti itu dengan metode NeRF tradisional, Anda memerlukan foto yang diambil dari berbagai sudut saat anak tetap diam. Namun secara teori, Anda bisa meminta anak untuk memutar sementara fotografer tetap diam saat mengambil gambar. Jepretan berwaktu, dikombinasikan dengan informasi tentang kecepatan rotasi anak, dapat digunakan untuk merekonstruksi pemandangan 3D dengan baik. Demikian pula, dengan memanfaatkan pengetahuan tentang bagaimana gas bergerak pada jarak yang berbeda dari lubang hitam, para peneliti bertujuan untuk memecahkan masalah rekonstruksi suar 3D dengan pengukuran yang dilakukan dari Bumi dari waktu ke waktu.
Dengan wawasan ini, tim membuat versi NeRF yang memperhitungkan pergerakan gas di sekitar lubang hitam. Namun penelitian ini juga perlu mempertimbangkan bagaimana cahaya membelok di sekitar objek besar seperti lubang hitam. Di bawah bimbingan rekan penulis Andrew Chael dari Universitas Princetontim mengembangkan model komputer untuk mensimulasikan pembengkokan ini, yang juga dikenal sebagai pelensaan gravitasi.
Dengan pertimbangan ini, versi baru NeRF mampu memulihkan struktur fitur terang yang mengorbit di sekitar cakrawala peristiwa lubang hitam. Memang benar, pembuktian konsep awal menunjukkan hasil yang menjanjikan pada data sintetik.
Suar di sekitar Sgr A* untuk dipelajari
Namun tim membutuhkan beberapa data nyata. Di sinilah ALMA berperan. Gambar Sgr A* yang kini terkenal dari EHT didasarkan pada data yang dikumpulkan pada tanggal 6–7 April 2017, yang merupakan hari-hari yang relatif tenang di lingkungan sekitar lubang hitam. Namun para astronom mendeteksi ledakan dan pencerahan mendadak di sekitarnya hanya beberapa hari kemudian, pada 11 April. Ketika anggota tim Maciek Wielgus dari Institut Astronomi Radio Max Planck di Jerman kembali memeriksa data ALMA pada hari itu, dia melihat sebuah sinyal. dengan periode yang sesuai dengan waktu yang dibutuhkan titik terang di dalam piringan untuk menyelesaikan orbit di sekitar Sgr A*. Tim berangkat untuk memulihkan struktur 3D kecerahan di sekitar Sgr A*.
ALMA adalah salah satu teleskop radio terkuat di dunia. Namun, karena jarak yang sangat jauh ke pusat galaksi (lebih dari 26.000 tahun cahaya), bahkan ALMA tidak mempunyai resolusi untuk melihat sekeliling Sgr A*. Yang diukur ALMA adalah kurva cahaya, yang pada dasarnya adalah video dari satu piksel yang berkedip-kedip, yang dibuat dengan mengumpulkan semua cahaya dengan panjang gelombang radio yang terdeteksi oleh teleskop untuk setiap momen pengamatan.
Memulihkan volume 3D dari video satu piksel mungkin tampak mustahil. Namun, dengan memanfaatkan informasi tambahan tentang fisika yang diharapkan terjadi pada piringan di sekitar lubang hitam, tim dapat mengatasi kurangnya informasi spasial dalam data ALMA.
Cahaya yang sangat terpolarisasi dari suar memberikan petunjuk
ALMA tidak hanya menangkap satu kurva cahaya saja. Faktanya, ia menyediakan beberapa “video” seperti itu untuk setiap pengamatan karena teleskop mencatat data yang berkaitan dengan kondisi polarisasi cahaya yang berbeda. Seperti panjang gelombang dan intensitas, polarisasi adalah sifat dasar cahaya dan mewakili arah orientasi komponen listrik gelombang cahaya sehubungan dengan arah rambat gelombang secara umum. “Apa yang kami dapatkan dari ALMA adalah dua video piksel tunggal terpolarisasi,” kata Bouman, yang juga merupakan Rosenberg Scholar dan Heritage Medical Research Institute Investigator. “Cahaya terpolarisasi itu sebenarnya sangat, sangat informatif.”
Studi teoritis terbaru menunjukkan bahwa titik-titik panas yang terbentuk di dalam gas sangat terpolarisasi, yang berarti gelombang cahaya yang berasal dari titik-titik panas ini memiliki arah orientasi yang berbeda. Hal ini berbeda dengan gas lainnya, yang orientasinya lebih acak atau acak. Dengan mengumpulkan pengukuran polarisasi yang berbeda, data ALMA memberikan informasi kepada para ilmuwan yang dapat membantu melokalisasi asal emisi dalam ruang 3D.
Memperkenalkan Tomografi Polarimetri Orbital
Untuk mengetahui kemungkinan struktur 3D yang menjelaskan pengamatan tersebut, tim mengembangkan versi terbaru dari metodenya yang tidak hanya menggabungkan fisika pembengkokan cahaya dan dinamika di sekitar lubang hitam tetapi juga emisi terpolarisasi yang diperkirakan terjadi di titik panas yang mengorbit lubang hitam. Dalam teknik ini, setiap struktur potensi suar direpresentasikan sebagai volume kontinu menggunakan jaringan saraf. Hal ini memungkinkan para peneliti untuk secara komputasi mengembangkan struktur 3D awal sebuah hotspot dari waktu ke waktu saat ia mengorbit lubang hitam untuk menciptakan kurva cahaya keseluruhan. Mereka kemudian dapat memecahkan struktur 3D awal terbaik yang, jika dikembangkan dalam waktu menurut fisika lubang hitam, akan cocok dengan pengamatan ALMA.
Hasilnya adalah video yang menunjukkan pergerakan dua wilayah terang kompak searah jarum jam yang menelusuri jalur di sekitar lubang hitam. “Ini sangat menarik,” kata Bouman. “Tidak harus seperti ini. Mungkin ada kecerahan sewenang-wenang yang tersebar di seluruh volume. Fakta bahwa ini sangat mirip dengan suar yang diprediksi oleh simulasi komputer terhadap lubang hitam sangatlah menarik.”
Levis mengatakan bahwa pekerjaan ini bersifat interdisipliner yang unik: “Anda memiliki kemitraan antara ilmuwan komputer dan ahli astrofisika, yang bersifat sinergis dan unik. Bersama-sama, kami mengembangkan sesuatu yang mutakhir di kedua bidang tersebut—baik pengembangan kode numerik yang memodelkan bagaimana cahaya merambat di sekitar lubang hitam dan pekerjaan pencitraan komputasi yang kami lakukan.”
Para ilmuwan mencatat bahwa ini hanyalah permulaan dari teknologi menarik ini. “Ini adalah penerapan yang sangat menarik tentang bagaimana AI dan fisika dapat bersatu untuk mengungkap sesuatu yang tidak terlihat,” kata Levis. “Kami berharap para astronom dapat menggunakannya pada data rangkaian waktu yang kaya lainnya untuk menjelaskan dinamika kompleks dari peristiwa serupa lainnya dan untuk menarik kesimpulan baru.”
Makalah baru ini berjudul, “Orbital Polarimetric Tomography of a Flare Near the Sagitarius A* Supermassive Black Hole.”
Pekerjaan ini didukung oleh pendanaan dari National Science Foundation, Carver Mead New Adventures Fund di Caltech, Princeton Gravity Initiative, dan European Research Council.
Referensi: “Tomografi Polarimetri Orbital dari Suar Dekat Lubang Hitam Supermasif Sagitarius A*” 22 April 2024, Astronomi Alam.
DOI: 10.1038/s41550-024-02238-3
RisalahPos.com Network
Related posts
# PARTNERSHIP
