天文学者らがブラックホールの改善された画像を公開：NPR

ネル・グリーンフィールドボイス

研究者らは、ブラックホールのコンピューターシミュレーションと機械学習を使用して、2019 年に公開された有名なブラックホールの最初の画像 (左) の改訂版 (右) を生成しました。メデイロスら 2023 キャプションを隠す

研究者らは、ブラックホールのコンピューターシミュレーションと機械学習を使用して、2019 年に公開された有名なブラックホールの最初の画像 (左) の改訂版 (右) を生成しました。

ブラックホールの最初の象徴的な画像は、ぼやけたオレンジ色のドーナツのように見えましたが、コンピューターシミュレーションと機械学習のおかげで、その画像は燃えるようなリングまで鮮明になりました。

この熱いガスの輪の黒い内部は、宇宙的な奇妙さと非常に強い重力の領域であり、光さえも逃げることができません。 The Astrophysical Journal Letters の新しいレポートによると、アップグレードされた画像では、はるかに大きくて暗く見えます。

この写真は、約5500万光年離れたところにある大きなブラックホールで、太陽の65億倍の質量があると考えられているM87ブラックホールを示している。これは、イベントホライズンテレスコープとして知られる世界中の望遠鏡ネットワークによって 2017 年に観測されたブラックホールで、これらの望遠鏡は地球サイズの巨大な電波望遠鏡として機能します。

2 年後、鳴り物入りで、国際 EHT チームは M87 の最初の画像を作成したと発表しました。ニュージャージー州プリンストン高等研究所の天体物理学者リア・メデイロス氏は、「私たちはその画像を非常に誇りに思っており、本当に興奮しています。私はその画像の作成に深く関わっていました」と語る。

それでも彼女は、「私たちは常に改善しようと努力し、常により良いイメージを持とうと努めるつもりです」と言う。

非常に強い重力を持つ天体が光を逃がさず、見えなくなるという考えは 18 世紀から存在します。天文学者たちは現在、瀕死の星が崩壊するときにブラックホールが形成される可能性があることを知っています。ブラックホール自体は目に見えませんが、周囲への重力の影響からその存在を推測できます。

たとえば、ブラックホールに引き込まれたガス、塵、破片は渦を巻き、内部に落ちていくにつれて加熱され、目に見えない飽くなき獣の周囲に輪郭を描きます。その輪郭は、EHT チームが捉えることができたものです。

この芸術家の印象は、太陽に似た星の残骸である回転物質の薄い円盤に囲まれた急速に回転する超大質量ブラックホールを描いています。 ESO、ESA/ハッブル、M. コーンメッサー/N. バートマンキャプションを隠す

しかし、メデイロス氏によると、多数の望遠鏡を使ってブラックホールのポートレートを作ることは、日常のカメラで写真を撮ることとは大きく異なります。「私たちは実際に写真を撮るわけではありません。つまり、カメラが 1 台あるだけで、ただクリックするだけです」と彼女は言います。

代わりに、研究者は特定の仮定を立てて大量の計算を行うことで、データのギャップに対処する必要があります。

この新しいバージョンの画像では、物理学、つまりブラックホールのコンピューターシミュレーションと機械学習の助けを借りてギャップが埋められています。研究者らは、幅広い可能性をカバーするブラックホールのシミュレーション画像を 30,000 枚以上生成し、それらの画像内で共通のパターンを探しました。

研究者らは、ブラックホールシミュレーションによって生成された数万枚の画像を使用して、機械学習プログラムをトレーニングしました。クレジット: Medeiros 他 2023年

「私たちが実際に行っているのは、画像のさまざまな部分間の相関関係を学習することです。そのため、シミュレーションから作成された何万もの高解像度画像を分析することでこれを実現しています」とメデイロス氏は言います。「画像がある場合、特定のピクセルに近いピクセルが完全に無相関であるわけではありません。各ピクセルが完全に独立した動作をしているわけではありません。」

画像のビット間の相関関係を学習することで、データの欠落によって生じたギャップをより適切に埋めることができた、と彼女は言います。結果として得られた新しい画像は古い画像と一致していますが、ブラックホールの周りを渦巻く高温ガスの輪はかなり薄くなりました。

「リングの幅が約 2 倍小さくなったという事実は、信じられないほどエキサイティングです」とメデイロス氏は言います。

これは、物質がブラックホールの周りを渦巻いてブラックホールに落ちていくときに何が起こっているのかを理解するのに役立つ啓示です。

「より多くの物質がブラックホールに落ちれば、より厚いリングが作成されます。そして、より少ない量の物質がブラックホールに落ちれば、より薄いリングが作成されるはずですよね？」彼女が言います。

これまでのところ、すべては依然としてアルバート・アインシュタインの予測と一致しているように見えます。これは、画像化された唯一の他のブラックホール、天の川銀河の中心にあるブラックホールにも当てはまります。この研究コンソーシアムでも観察されました。

メデイロス氏は、コンピューターのソフトウェアと望遠鏡のハードウェアが継続的に改良されることで、M87 ブラックホールの画像がますます洗練されることになると考えています。

「20年後には、今日お見せしているようなイメージではなくなっているかもしれません」と彼女は言う。「もっといいかもしれない。」