استخدم العلماء الذكاء الاصطناعي لبناء نموذج ثلاثي الأبعاد لانفجار الطاقة، أو التوهج، الذي حدث حول الثقب الأسود المركزي في مجرة درب التبانة، القوس A* (Sgr A*). يمكن لهذا النموذج ثلاثي الأبعاد أن يساعد العلماء على تطوير صورة أوضح للبيئة المضطربة التي تتشكل حول الثقوب السوداء الهائلة بشكل عام.
المواد التي تدور حول القوس A* موجودة في بنية مسطحة تسمى “قرص التراكم” والتي يمكن أن تشتعل بشكل دوري. تحدث هذه التوهجات عبر مجموعة من الأطوال الموجية الضوئية، بدءًا من الأشعة السينية عالية الطاقة وحتى الأشعة تحت الحمراء منخفضة الطاقة وموجات الراديو.
تشير عمليات المحاكاة الحاسوبية العملاقة إلى أن التوهج الذي شاهدته مصفوفة أتاكاما المليمترية / تحت المليمترية الكبيرة (ALMA) في 11 أبريل 2017 قد نشأ من نقطتين مضيئتين من مادة كثيفة في القرص التراكمي للقوس A*، وكلاهما يواجهان الأرض. وتدور تلك البقع المضيئة حول الثقب الأسود الهائل، الذي تبلغ كتلته حوالي 4.2 مليون مرة كتلة الشمس، بينما يفصله حوالي نصف المسافة بين الأرض والشمس. هذا حوالي 47 مليون ميل (75 مليون كيلومتر).
متعلق ب: يُلمح منظر جديد للثقب الأسود الهائل في قلب مجرة درب التبانة إلى ميزة مخفية مثيرة
إن إعادة بناء هذه التوهجات ثلاثية الأبعاد من بيانات الرصد ليس بالأمر السهل. ولمعالجة هذه المشكلة، اقترح الفريق، بقيادة عالم معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا أفياد ليفيس، تقنية تصوير جديدة تسمى “التصوير المقطعي الاستقطابي المداري”. ولا تختلف هذه الطريقة عن التصوير المقطعي الطبي المحوسب، أو الأشعة المقطعية، التي يتم إجراؤها في المستشفيات في جميع أنحاء العالم.
“إن المنطقة المدمجة حول مركز المجرة هي مكان متطرف حيث يدور الغاز الممغنط الساخن حول ثقب أسود هائل بسرعات نسبية [speeds approaching that of light]. وقال ليفيس لموقع Space.com: “تعمل هذه البيئة الفريدة على تشغيل ثورانات نشطة للغاية تُعرف باسم التوهجات، والتي تترك بصمات رصدية عند أطوال موجات الأشعة السينية والأشعة تحت الحمراء والراديو”. “في الآونة الأخيرة، اقترح المنظرون عدة آليات لنشوء مثل هذه التوهجات، إحداها من خلال مناطق مدمجة ومشرقة للغاية تتشكل فجأة داخل القرص التراكمي.”
وأضاف أن النتيجة الرئيسية لهذا العمل هي استعادة الشكل الذي قد تبدو عليه البنية ثلاثية الأبعاد للسطوع الراديوي حول Sgr A* مباشرة بعد اكتشاف التوهج.
بناء ثقب أسود من بكسل واحد
وقال ليفيس: “يقع القوس A* في قلب مجرتنا درب التبانة، مما يجعله أقرب ثقب أسود هائل ومرشح رئيسي لدراسة مثل هذه التوهجات”. “للقيام بذلك بشكل فعال، لا تزال بحاجة إلى عنصر الحظ عندما تتزامن عمليات رصد ALMA مع التوهج.”
وأوضح أنه في 11 أبريل 2017، كانت ALMA تراقب القوس A* مباشرة بعد ثوران عنيف تم التقاطه بالأشعة السينية. تحتوي البيانات الراديوية التي حصلت عليها ALMA على إشارة دورية تتوافق مع ما يمكن توقعه لمدار حول Sgr A*.
وأضاف ليفيس: “دفعنا هذا إلى تطوير نهج حسابي يمكنه استخراج البنية ثلاثية الأبعاد من بيانات السلاسل الزمنية التي ترصدها ALMA”. “على النقيض من الصورة ثنائية الأبعاد التي التقطها تلسكوب أفق الحدث (EHT) للقوس A*، كنا مهتمين باستعادة الحجم ثلاثي الأبعاد، وللقيام بذلك، اعتمدنا على النمذجة الفيزيائية لكيفية انتقال الضوء على طول مسارات منحنية داخل مجال الجاذبية القوي لـ ثقب أسود.”
ولتحقيق نتائجهم، نظر العلماء إلى الفيزياء المستمدة من نظرية ألبرت أينشتاين للجاذبية والنسبية العامة عام 1915، ثم طبقوا تلك المفاهيم حول الثقوب السوداء الهائلة على الشبكة العصبية. تم بعد ذلك استخدام هذه الشبكة لإنشاء نموذج Sgr A*.
“يعد هذا العمل بمثابة تعاون فريد من نوعه بين علماء الفلك وعلماء الكمبيوتر الذين يعملون على تطوير أدوات حسابية متطورة من كل من مجالات الذكاء الاصطناعي وفيزياء الجاذبية، حيث يساهم كل منهم بجزء مهم من الكل في هذه المحاولة الأولى للكشف عن بنية البث الراديوي ثلاثي الأبعاد حول Sgr A. *” قال ليفيس. “النتيجة ليست صورة بالمعنى المعتاد؛ بل هي صورة حسابية ثلاثية الأبعاد مستخرجة من عمليات رصد السلاسل الزمنية عن طريق تقييد شبكة عصبية بالفيزياء المتوقعة لكيفية دوران الغاز حول الثقب الأسود وكيفية انبعاث إشعاع السنكروترون في عملية.”
وأوضح أن الفريق وضع “انبعاثات” ثلاثية الأبعاد حسابيًا في مدار حول القوس A*، بدءًا من هيكل عشوائي. من خلال تتبع الشعاع، والذي يشير إلى المحاكاة الرسومية للسلوك الفيزيائي للضوء، تمكن ليفيس وزملاؤه من وضع نموذج لكيفية رؤية ALMA للبنية المحيطة بالقوس A* في الأوقات المستقبلية. بدأت هذه النماذج بعد 10 دقائق من التوهج، ثم بعد 20 دقيقة، وبعد 30 دقيقة، وهكذا.
وأضاف ليفيس: “إن تقنية مجالات الإشعاع العصبي وتتبع الأشعة النسبية العامة تمنحنا طريقة لبدء تغيير البنية ثلاثية الأبعاد حتى يتطابق النموذج مع الملاحظات”.
وجد الفريق أن هذا قد خلص إلى استنتاجات حول البيئة المحيطة بالقوس A* والتي تنبأت بها النظرية بالفعل، حيث أظهرت أن السطوع يتركز في عدة مناطق صغيرة داخل القرص التراكمي. ومع ذلك، كانت جوانب هذا العمل مفاجئة لليفيس وبقية الفريق.
وقال الباحث: “كانت المفاجأة الأكبر هي أننا تمكنا من استعادة البنية ثلاثية الأبعاد من ملاحظات منحنى الضوء … في الأساس مقطع فيديو لبكسل واحد وامض”. “فكر في الأمر: إذا أخبرتك أنه يمكنك استعادة مقطع فيديو من بكسل واحد فقط، فستقول أن هذا يبدو مستحيلًا من الناحية العملية. والمفتاح هو أننا لا نستعيد مقطع فيديو عشوائيًا.
“نحن نستعيد البنية ثلاثية الأبعاد للانبعاث حول الثقب الأسود، ويمكننا الاستفادة من فيزياء الجاذبية والانبعاثات المتوقعة لتقييد عملية إعادة البناء لدينا.”
وأضاف ليفيس أن حقيقة ALMA لا تقيس شدة الضوء فحسب، بل أيضًا استقطابه، أعطت الفريق إشارة مفيدة للغاية تحتوي على أدلة حول البنية ثلاثية الأبعاد للتوهجات حول القوس A*
قصص ذات الصلة
– كيف تصبح بعض الثقوب السوداء كبيرة جدًا؟ قد يكون لدى تلسكوب جيمس ويب الفضائي إجابة
– ألمع نجم زائف على الإطلاق يستمد طاقته من ثقب أسود يلتهم “شمسًا يوميًا”
– يمكن تكديس نجوم “gravastars” الشبيهة بالثقب الأسود مثل دمى الشاي الروسية
للمضي قدمًا، قال ليفيس إنه والفريق يعتزمون تشغيل المحاكاة مع تغيير معايير الفيزياء المستخدمة لتقييد الذكاء الاصطناعي.
واختتم ليفيس حديثه قائلاً: “تمثل هذه النتائج خطوة أولى مثيرة، تعتمد على الاعتقاد بأن القوس A* عبارة عن ثقب أسود تخضع بيئته لنماذج الجاذبية والانبعاث الموصوفة؛ وتتوقف دقة نتائجنا على صحة هذه الافتراضات”. “في المستقبل، نود أن نخفف هذه القيود للسماح بالانحرافات عن الفيزياء المتوقعة.
“إن نهجنا، الذي يسخر التآزر بين الفيزياء والذكاء الاصطناعي، يفتح الباب أمام أسئلة جديدة ومثيرة ستستمر إجاباتها في تعزيز فهمنا للثقوب السوداء والكون.”
نُشر بحث الفريق يوم الاثنين (22 أبريل) في مجلة Nature Astronomy.