科學家認為，黑洞周圍的環境是動蕩的，其特點是熱磁化氣體在圓盤中以極高的速度和溫度旋轉。天文觀測表明，在這樣一個圓盤內，神秘的耀斑每天會出現幾次，暫時變亮，然后消失。現在，由加州理工學院科學家領導的團隊利用望遠鏡數據和人工智能(AI) 計算機視覺技術恢復了第一個三維視頻，顯示了人馬座 A*(Sgr A*，發音為 Sadge-ay)周圍此類耀斑的樣子-star)，位于我們銀河系中心的超大質量黑洞。

3D耀斑結構具有兩個明亮、緊湊的特征，距離黑洞中心約7500萬公里(或地球與太陽之間距離的一半)。它基于 2017 年 4 月 11 日 X 射線數據中看到的火山噴發后 100 分鐘內智利阿塔卡馬大型毫米波陣列 (ALMA) 收集的數據。

加州理工學院計算和數學科學、電氣工程和天文學助理教授凱蒂·布曼 (Katie Bouman) 表示：“這是首次對靠近黑洞旋轉的氣體進行三維重建。”她的團隊領導了《自然》雜志上一篇新論文中描述的這項工作。天文學。

布曼團隊的博士后學者、新論文的主要作者阿維亞德·萊維斯強調，雖然這段視頻不是模擬，但也不是事件發生時的直接記錄。“這是基于我們的黑洞物理模型進行的重建。它仍存在很多不確定性，因為它依賴于這些模型的準確性，”他說。

使用基于物理學的人工智能來找出可能的 3D 結構

為了重建 3D 圖像，該團隊必須開發新的計算成像工具，例如，該工具可以解釋由于黑洞等巨大重力物體周圍時空彎曲而導致的光彎曲。

2021 年 6 月，這個多學科團隊首次考慮是否有可能制作黑洞周圍耀斑的 3D 視頻。布曼和李維斯所屬的事件視界望遠鏡 (EHT) 合作組織已經發布了第一張黑洞圖像。位于遙遠星系 M87 核心的超大質量黑洞，正在努力利用 Sgr A* 的 EHT 數據做同樣的事情。這篇新論文的合著者、谷歌研究中心的 Pratul Srinivasan 當時正在加州理工學院訪問該團隊。他幫助開發了一種稱為神經輻射場(NeRF)的技術，當時該技術剛剛開始被研究人員使用。此后它對計算機圖形學產生了巨大的影響。 NeRF 使用深度學習根據 2D 圖像創建場景的 3D 表示。它提供了一種從不同角度觀察場景的方法，即使只有有限的場景視圖也是如此。

該團隊想知道，通過神經網絡表示的最新進展，他們是否可以重建黑洞周圍的 3D 環境。他們面臨的巨大挑戰：從地球上，就像在任何地方一樣，我們只能得到黑洞的單一視角。

研究小組認為他們也許能夠克服這個問題，因為氣體在黑洞周圍移動時的行為方式在某種程度上是可預測的。考慮一下嘗試捕捉腰間佩戴內胎的兒童的 3D 圖像的類比。要使用傳統的 NeRF 方法捕捉此類圖像，您需要在孩子保持靜止時從多個角度拍攝照片。但理論上，你可以讓孩子旋轉，而攝影師保持靜止拍照。定時快照與有關兒童旋轉速度的信息相結合，可以同樣很好地重建 3D 場景。同樣，通過利用氣體如何在距黑洞不同距離處移動的知識，研究人員旨在通過從地球上隨時間推移進行的測量來解決 3D 耀斑重建問題。

有了這一見解，該團隊構建了 NeRF 的一個版本，該版本考慮了氣體如何在黑洞周圍移動。但它還需要考慮光線如何在黑洞等大質量物體周圍彎曲。在普林斯頓大學合著者安德魯·查爾的指導下，該團隊開發了一種計算機模型來模擬這種彎曲，也稱為引力透鏡。

考慮到這些因素，新版本的 NeRF 能夠恢復圍繞黑洞事件視界的明亮特征的結構。事實上，最初的概念驗證在合成數據上顯示出了有希望的結果。

A* 中士周圍的耀斑可供研究

但團隊需要一些真實的數據。這就是 ALMA 發揮作用的地方。EHT現在著名的 Sgr A* 圖像基于 2017 年 4 月 6 日至 7 日收集的數據，那是黑洞周圍環境相對平靜的日子。但幾天后，即 4 月 11 日，天文學家發現周圍環境突然出現爆炸性增亮。當德國馬克斯·普朗克射電天文學研究所的團隊成員 Maciek Wielgus 回顧當天的 ALMA 數據時，他注意到了一個信號其周期與盤內亮點完成圍繞 Sgr A* 的軌道所需的時間相匹配。該團隊著手恢復 Sgr A* 周圍明亮區域的 3D 結構。

ALMA 是世界上最強大的射電望遠鏡之一。然而，由于距離銀河系中心很遠(超過 26,000 光年)，即使是 ALMA 也沒有能力看到 Sgr A* 的直接周圍環境。 ALMA 測量的是光變曲線，它本質上是單個閃爍像素的視頻，是通過收集望遠鏡在每個觀察時刻檢測到的所有無線電波長光而創建的。

從單像素視頻中恢復 3D 體積似乎是不可能的。然而，通過利用有關黑洞周圍盤的物理特性的額外信息，該團隊能夠解決 ALMA 數據中空間信息缺乏的問題。

耀斑發出的強偏振光提供了線索

ALMA 不僅僅捕獲單個光變曲線。事實上，它為每次觀測提供了幾個這樣的“視頻”，因為望遠鏡記錄了與光的不同偏振態相關的數據。與波長和強度一樣，偏振是光的基本屬性，代表光波的電分量相對于波的總體傳播方向的方向。 “我們從 ALMA 得到的是兩個偏光單像素視頻，”布曼說，他也是羅森伯格學者和傳統醫學研究所研究員。 “偏振光實際上非常非常豐富。”

最近的理論研究表明，氣體內形成的熱點是強偏振的，這意味著來自這些熱點的光波具有明顯的首選方向。這與其余氣體形成對比，其余氣體具有更隨機或混亂的方向。通過收集不同的偏振測量結果，ALMA 數據為科學家提供了有助于定位 3D 空間中發射源位置的信息。

軌道偏振斷層掃描簡介

為了找出解釋觀測結果的可能的 3D 結構，該團隊開發了其方法的更新版本，該方法不僅結合了光彎曲和黑洞周圍動力學的物理原理，還結合了圍繞黑洞運行的熱點中預期的偏振發射。在該技術中，每個潛在的耀斑結構都使用神經網絡表示為連續體積。這使得研究人員能夠隨著時間的推移計算熱點的初始 3D 結構，因為它繞黑洞運行，以創建完整的光曲線。然后，他們可以求解最佳的初始 3D 結構，當根據黑洞物理學及時進展時，該結構與 ALMA 觀測結果相匹配。

結果是一段視頻，顯示了兩個緊湊的明亮區域的順時針運動，這些區域沿著黑洞周圍的路徑移動。 “這非常令人興奮，”布曼說。 “它不必以這種方式出現。整個體積中可能散布著任意的亮度。事實上，這看起來很像計算機模擬黑洞預測的耀斑，這一事實非常令人興奮。”

萊維斯說，這項工作是獨特的跨學科：“計算機科學家和天體物理學家之間建立了獨特的協同合作關系。我們共同開發了在這兩個領域都處于領先地位的東西——模擬光如何傳播的數字代碼的開發黑洞和我們所做的計算成像工作。”

科學家們指出，這只是這項令人興奮的技術的開始。 “這是一個非常有趣的應用，人工智能和物理學如何結合在一起，揭示一些原本看不見的東西，”李維斯說。 “我們希望天文學家可以將其用于其他豐富的時間序列數據，以闡明其他此類事件的復雜動態并得出新的結論。”

這篇新論文的標題是“人馬座 A* 超大質量黑洞附近耀斑的軌道偏振斷層掃描”。這項工作得到了美國國家科學基金會、加州理工學院卡弗·米德新冒險基金、普林斯頓重力計劃和歐洲研究委員會的資助。