Une équipe dirigée par Caltech a utilisé des réseaux de neurones pour reconstruire en 3D la manière dont les explosions se produisent dans le disque de gaz entourant le trou noir supermassif de notre galaxie, la Voie lactée.
La structure de l’éruption 3D présente deux éléments brillants et compacts situés à environ 75 millions de kilomètres (soit la moitié de la distance entre la Terre et le Soleil) du centre du trou noir. Il est basé sur les données collectées par l’Atacama Large Millimeter Array (ALMA) au Chili après une éruption observée par rayons X le 11 avril 2017.
Ici, la structure 3D reconstruite est vue sous un angle fixe alors que le modèle évolue sur une période d’environ 100 minutes, montrant le chemin que tracent les deux éléments brillants autour du trou noir.
“Il s’agit de la première reconstruction tridimensionnelle d’un gaz en rotation près d’un trou noir”, déclare dans un communiqué Katie Bouman, professeur adjoint d’informatique et de sciences mathématiques, de génie électrique et d’astronomie à Caltech, dont le groupe a dirigé les efforts décrits dans un rapport. nouvel article dans Nature Astronomy.
Aviad Levis, chercheur postdoctoral dans le groupe de Bouman et auteur principal du nouvel article, souligne que même si la vidéo n’est pas une simulation, elle n’est pas non plus un enregistrement direct des événements tels qu’ils se sont déroulés. “Il s’agit d’une reconstruction basée sur nos modèles physiques de trous noirs. Il y a encore beaucoup d’incertitudes associées à cela car cela concerne la précision de ces modèles”, dit-il.
Pour reconstruire l’image 3D (), l’équipe a dû développer de nouveaux outils d’imagerie informatique qui pourraient, par exemple, expliquer la courbure de la lumière due à la courbure de l’espace. -le temps autour d’objets d’une énorme gravité, comme un trou noir.
Mais l’équipe avait besoin de données réelles. C’est là qu’ALMA est intervenue. La désormais célèbre image de l’étoile Sgr A de l’EHT était basée sur des données collectées du 6 au 7 avril 2017, qui étaient des jours relativement calmes dans l’environnement entourant le trou noir. Mais les astronomes ont détecté une lueur soudaine et explosive dans les environs quelques jours plus tard, le 11 avril. Lorsque Maciek Wielgus, membre de l’équipe de l’Institut Max Planck de radioastronomie en Allemagne, a examiné les données ALMA de ce jour-là, il a remarqué un signal avec une période qui correspond au temps qu’il faudrait à un point lumineux à l’intérieur du disque pour terminer une orbite autour de Sgr. Être la vedette. L’équipe a entrepris de récupérer la structure 3D de cette lueur.
Récupérer un volume 3D à partir d’une vidéo d’un seul pixel peut sembler impossible. Cependant, en profitant d’informations supplémentaires sur la physique attendue pour le disque autour des trous noirs, l’équipe a pu contourner le manque d’informations spatiales dans les données ALMA.
ALMA ne capture pas simplement une seule courbe de lumière. En fait, il fournit plusieurs « vidéos » de ce type pour chaque observation, car le télescope enregistre des données liées aux différents états de polarisation de la lumière. Comme la longueur d’onde et l’intensité, la polarisation est une propriété fondamentale de la lumière et représente la direction dans laquelle la composante électrique d’une onde lumineuse est orientée par rapport à la direction générale de déplacement de l’onde. « Ce que nous obtenons d’ALMA, ce sont deux vidéos polarisées à un seul pixel », explique Bouman. “Cette lumière polarisée est en fait très informative.”
Pour découvrir une possible structure 3D expliquant les observations, l’équipe a développé une version mise à jour de leur méthode qui intègre non seulement la physique de la courbure et de la dynamique de la lumière autour d’un trou noir, mais également l’émission polarisée attendue aux points chauds qui orbitent autour d’un trou noir. trou. Dans cette technique, chaque structure d’éruption potentielle est représentée comme un volume continu à l’aide d’un réseau neuronal. Cela permet aux chercheurs de faire progresser par ordinateur la structure 3D initiale d’un point chaud au fil du temps alors qu’il tourne autour du trou noir pour créer une courbe de lumière complète. Ils ont ensuite pu trouver la meilleure structure 3D initiale qui, une fois progressée dans le temps selon la physique des trous noirs, correspondait aux observations d’ALMA.
Le résultat est une vidéo montrant le mouvement dans le sens des aiguilles d’une montre de deux régions compactes et lumineuses traçant un chemin autour du trou noir. “C’est très excitant”, déclare Bouman. “Il n’était pas nécessaire que cela se produise de cette façon. Il aurait pu y avoir une lueur arbitraire dispersée dans tout le volume. Le fait que cela ressemble beaucoup aux éruptions prédites par les simulations informatiques de trous noirs est très excitant.”
