科技生活| 黑洞最高解像度圖像 歸功機器學習新算法

2019年,我們首次得到了黑洞的直接圖像,它類似於一個模糊的橙色甜甜圈。現在,該團隊在機器學習算法的幫助下對這一標誌性圖像進行了改進,以產生原始數據可能的最高解像度圖像。

天體物理學家懷疑黑洞的存在已經有幾十年了,雖然有堆積如山的間接證據,但直接圖像仍然難以捉摸。畢竟,怎麼能拍到光本身無法逃離的東西呢?

答案是對比(contrast)——黑洞強烈的引力影響加熱了它們周圍的物質,形成了一個明亮的圓盤,突出了中心的無限黑暗物體。利用這種方法,事件地平線望遠鏡(Event Horizon Telescope, EHT)合作終於在2019年產生了第一張黑洞的直接圖像,捕捉到了位於星系M87中心的超大質量怪物。

該圖像顯示了一個圍繞黑心的明顯的橙色環,證實了關於黑洞會是什麼樣子的假設說法。雖然是突破性的,但圖像相當模糊,所以現在EHT團隊已經將其銳化了。

新的和改進的圖像的關鍵是一種稱為「原理-分量干涉測量模型」(PRIMO)的機器學習算法。原來的圖像是通過匯集世界各地的射頻望遠鏡的數據來創建一個地球大小的虛擬望遠鏡,但這樣做不可避免地在圖像中出現漏洞,因為你無法用望遠鏡覆蓋地球的表面。

PRIMO是為了修補這些漏洞而設計的。這個機器學習系統在超過3萬張帶有吸積環(accretion rings)的黑洞模擬圖像上進行了訓練,包括各種不同的模型。反覆出現的模式按其出現的頻率進行排序,然後混合在一起,形成黑洞應該有的樣子的圖像。將原始的EHT觀測結果與這些圖像進行比較,以估計圖像中缺少的結構會是什麼樣子。

最終的結果是M87中央黑洞的圖像更加清晰,去除了噪音,看到了一個更大、更暗的黑洞和一個發光的環,其寬度只有以前看到的一半左右。研究小組說,這幅圖像達到了你能達到的最大解像度,如果你真的能做到建造一個地球大小的射電望遠鏡這。

新的圖像可以幫助科學家改進黑洞物理和引力的模型,而且該技術可以應用於其他圖像,比如去年EHT合作拍攝的銀河系自己的超大質量黑洞的圖像。

圖片:Medeiros et al. 2023

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