HyperAI超神经

المحتويات في لمحة:في عام 2019، أصدر فريق البحث العالمي التابع لتلسكوب أفق الحدث (EHT) أول صورة لثقب أسود في تاريخ البشرية. وبسبب ظروف المراقبة في ذلك الوقت، أظهرت صورة الثقب الأسود مخططًا ضبابيًا فقط. نُشرت مؤخرًا ورقة بحثية في مجلة الفيزياء الفلكية "The Astrophysical Journal Letters" والتي أعادت بناء صورة الثقب الأسود M87 استنادًا إلى خوارزمية PRIMO. وأدت نتائج البحث إلى الحصول على صورة أكثر وضوحًا للثقب الأسود.
الكلمات المفتاحية:تحليل المكونات الرئيسية لخوارزمية PRIMO للثقب الأسود M87

نُشرت هذه المقالة لأول مرة على منصة HyperAI WeChat العامة~

الثقب الأسود هو جسم سماوي موجود في الكون في النسبية العامة الحديثة. قوتها الجاذبية قوية جدًا لدرجة أن سرعة الهروب داخل أفق الحدث أكبر من سرعة الضوء، لذلك يطلق عليها اسم الثقب الأسود. الثقب الأسود M87 هو جسم سماوي ضخم يقع على بعد 55 مليون سنة ضوئية من الأرض.تبلغ كتلتها حوالي 6.5 مليار مرة كتلة الشمس.

في عام 2019، أصدر فريق البحث العالمي التابع لتلسكوب أفق الحدث (EHT) رسميًا أول صورة لثقب أسود يلتقطها البشر - صورة الثقب الأسود M87. كانت هذه هي المرة الأولى التي يشهد فيها البشر الظهور الحقيقي لثقب أسود، مما جعل الثقب الأسود M87 "شائعًا" في جميع أنحاء العالم بين عشية وضحاها.ومع ذلك، وبسبب القيود المفروضة على ظروف المراقبة، فإن الصورة الأولى للثقب الأسود لم تتمكن إلا من تقديم مخطط ضبابي.

حديثاً،استخدم باحثون من معهد الدراسات المتقدمة أكثر من 30 ألف صورة محاكاة عالية الدقة للثقوب السوداء لتدريب خوارزمية PRIMO (النمذجة التداخلية للمكونات الأساسية).تعرف على قوانين انتشار الضوء حول الثقب الأسود، حتى تتمكن من إعادة بناء صورة الثقب الأسود بجودة أعلى وأكثر وضوحًا. يتيح مشروع PRIMO للعلماء دراسة الثقوب السوداء بشكل أعمق وفهم خصائصها وخصائصها، كما يوفر أيضًا نوعًا جديدًا من طرق معالجة البيانات ذات الإمكانات الكبيرة للتطورات المستقبلية في علم الفلك والفيزياء.نُشر البحث في مجلة The Astrophysical Journal Letters، تحت عنوان "صورة الثقب الأسود M87 المعاد بناؤها باستخدام PRIMO".

وقد تم نشر النتائج في مجلة The Astrophysical Journal Letters

عنوان الورقة:

https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/acc32d/pdf

من "الدونات" إلى "الخواتم الذهبية"

في عام 2017، نجح مشروع EHT في التقاط صورة للثقب الأسود M87 باستخدام تلسكوب راديوي بفتحة تعادل قطر الأرض.تظهر الصورة أن M87 يبدو مثل "الدونات"، مع حلقة مشرقة حول الخارج وظل في المنتصف.

الشكل 1: صورة الثقب الأسود M87

يسار: صورة للثقب الأسود M87 التقطتها تلسكوب أفق الحدث في عام 2017.

الوسط: نتائج إعادة بناء بيانات M87 لعام 2017 باستخدام خوارزمية PRIMO.

يمين: تشويش صورة PRIMO بدقة مجموعة EHT.

يوضح الشكل 1 أنه مقارنة بالصورة الأولى للثقب الأسود M87، تم تقليص عرض حلقة الصورة المعاد بناؤها إلى النصف، وتم الكشف عن منطقة أكبر وأكثر قتامة في المنتصف، والتي تشبه إلى حد كبير "الحلقة الذهبية". ويُظهر هذا أن الباحثين نجحوا في تحسين دقة صورة الثقب الأسود، وأن الصورة تتفق مع بيانات EHT والتوقعات النظرية. وفي هذا الصدد، قالت ليا ميدوروس، المؤلفة الأولى لهذه الورقة:"يعد هذا التقدم البحثي ذا أهمية كبيرة لفهم سلوك الثقب الأسود بشكل أعمق، وكذلك للتحقق من النموذج النظري واختبار الجاذبية."

الإجراءات التجريبية

نظرة عامة على العملية

استخدم الباحثون بيانات مراقبة EHT للثقب الأسود M87 في 5 و6 و10 و11 أبريل 2017 كمجموعة تدريب لهذه الدراسة.تم إجراء الملاحظات من سبعة مواقع تلسكوب راديوي في خمسة مواقع جغرافية.ومن بينها، بيانات المراقبة ليوم 11 أبريل/نيسان، وهي مجموعة البيانات المرجعية.

في هذه التجربة،استخدم الباحثون بشكل أساسي خوارزمية جديدة لإعادة بناء الصور، PRIMO، لإعادة بناء صورة الثقب الأسود.في البداية، استخدم الباحثون محاكاة المغناطيسية الهيدروديناميكية النسبية العامة (GRMHD) لتوليد عدد كبير من الصور المحاكاة للثقوب السوداء. بعد ذلك، يتم استخدام تحليل المكونات الأساسية (PCA) للحصول على مجموعة من الأساسات المتعامدة المتفرقة في مكتبة الصور المحاكاة GRMHD، وهو أيضًا حالة استخدام لتعلم القاموس. أخيرًا، يتم استخدام أساس PCA وخوارزمية PRIMO لإعادة بناء الصورة من البيانات التداخلية المتفرقة.

* جي ار ام اتش دي:الديناميكا المغناطيسية الهيدروديناميكية النسبية العامة (GRMHD) هو إطار نظري يجمع بين النسبية العامة والديناميكا المغناطيسية الهيدروديناميكية لوصف سلوك المادة والطاقة في ظل الحركة عالية السرعة وظروف المجال المغناطيسي القوي. يتمتع GRMHD بمجموعة واسعة من التطبيقات، وهو مناسب بشكل خاص لدراسة ومحاكاة بعض الظواهر الفيزيائية المتطرفة.مثل تدفق البلازما حول الثقوب السوداء، وسلوك الهيدروديناميكية المغناطيسية في الفضاء بين النجوم، وتشكل وتطور المجرات ومجموعات المجرات. ومن خلال محاكاة GRMHD، يمكننا دراسة قضايا مهمة مثل عملية تراكم الثقوب السوداء، وتوليد النفاثات، وآلية تشكل النجوم في المجرات.

* تحليل المكونات الرئيسية:تحليل المكونات الأساسية (PCA) هي طريقة تستخدم للتحليل الإحصائي وتبسيط مجموعات البيانات. يقوم بتحويل الملاحظات المتغيرة المرتبطة بشكل محتمل إلى مجموعة من قيم المتغيرات غير المرتبطة خطيًا من خلال التحويل المتعامد. وتسمى هذه المتغيرات غير المترابطة بالمكونات الرئيسية. من خلال تطبيق تحليل المكونات الرئيسية، يستطيع الباحثون تبسيط مجموعات البيانات المعقدة إلى عدد أقل من المكونات الرئيسية. تتمتع تقنية تحليل المكونات الرئيسية (PCA) بتطبيقات واسعة في تقليل أبعاد البيانات واستخراج الميزات وتصور البيانات.من خلال استخدام تحليل المكونات الرئيسية، يستطيع الباحثون فهم البيانات بشكل أفضل وتحويلها إلى نموذج يمكن تفسيره واستخدامه بسهولة أكبر، وبالتالي اكتشاف المعلومات والعلاقات المخفية في البيانات.

* بريمو:PRIMO (النمذجة التداخلية للمكونات الأساسية) هي خوارزمية جديدة تعتمد على التعلم القاموسي. إن جوهرها هو المكون الرئيسي لتكنولوجيا النمذجة التداخلية. يتم تدريبه على عدد كبير من صور الثقب الأسود المحاكاة.يتيح للباحثين استعادة صور عالية الدقة في المواقف التي تكون فيها تغطية التلسكوب الراديوي محدودة،وتحقيق الدقة الفيزيائية لمجموعة EHT لمعالجة مشكلة ندرة البيانات في قياس التداخل بالموجات المليمترية.

دراسة المعلمات

أجرى الباحثون دراسة المعلمات في هذه التجربة.تتضمن الدراسات البارامترية تغيير وتعديل معلمات النظام أو النموذج من أجل ملاحظة وفهم تأثيراتها على سلوك النظام ونتائجه.ومن خلال هذه الدراسة، يستطيع الباحثون استكشاف مدى تأثير المعلمات على المتغيرات المختلفة ونتائج المخرجات أثناء التجربة، وكذلك العلاقة بين المعلمات.

قام الباحثون بضبط إجمالي تدفق المصدر المدمج لصورة PRIMO المرجعية لـ M87 إلى 0.6 Jy وأعادوا بناء الصورة باستخدام مزيج خطي من مكونات PCA العشرين. في دراسة بارامترية، قارن الباحثون الصور الأساسية مع الصور التي تم الحصول عليها باستخدام تدفقات مصدر مدمجة إجمالية مختلفة ومكونات PCA المختلفة.يتم استخدامه لمراقبة التغييرات في ميزات الصورة.على سبيل المثال، حجم وسطوع وزاوية النقطة الأكثر سطوعًا في الحلقة. وتظهر النتيجة في الشكل أدناه:

الشكل 2: مقارنة بين صورة خط الأساس والصور ذات مكونات التدفق المختلفة وتحليل المكونات الرئيسية (PCA)

أعلى: مقارنة بين أقصى صور PRIMO الخلفية لتدفقات إجمالية قدرها 0.5 و0.6 و0.7 Jy.

الوسط: مقارنة الحد الأقصى لصور الخلفية باستخدام 12 و14 و18 مكونًا من مكونات PCA فقط.

أسفل: صور توضيحية تم رسمها عشوائيًا من خطوة MCMC لسلسلة المعايير، مع تدفق 0.6 Jy و20 مكونًا من مكونات PCA.

كما هو واضح في الشكل،ستؤدي تدفقات مصادر الضغط الكلي المختلفة والأعداد المختلفة لمكونات PCA إلى اختلافات في السطوع وزاوية الموضع للجزء الأكثر سطوعًا من الحلقة.في نفس الوقت، لا يتأثر حجم وعرض الحلقة. يوضح الشكل 3 مقارنة بين الصور التي أعيد بناؤها استنادًا إلى بيانات EHT من 5 و6 و10 و11 أبريل 2017.

الشكل 3: مقارنة الصور التي تم إعادة بنائها من بيانات EHT في 5 و6 و10 و11 أبريل 2017

كما هو واضح في الشكل، فإن زاوية موضع الجزء الأكثر سطوعًا من الحلقة والجزء الأكثر سطوعًا من الجزء الجنوبي من الحلقة تختلف قليلاً في تواريخ مختلفة. ومن خلال مقارنة صور اليومين الأولين واليومين الأخيرين، يمكننا أيضًا أن نرى بوضوح الفرق في زاوية موضع الجزء الأكثر سطوعًا من الحلقة وسطوع الحلقة.ويعتقد الباحثون أن هذا يعود إلى بنية المصدر المرصودة، والتي تتمثل في الاختلاف في توزيع وترتيب المادة حول الثقب الأسود.

تم إجراء مقابلة مع المؤلف الأول للورقة البحثية وشرح بالتفصيل تأثير PRIMO على علم الفلك

14 أبريل 2023أجرى بودكاست Discovery Files مقابلة مع ليا ميدوروس، المؤلفة الأولى لهذه الورقة البحثية.

وفي المقابلة، قالت ليا ميدوروس إنه من الناحية النظرية، يجب أن يكون حجم التلسكوب المخصص لمراقبة الثقوب السوداء بحجم الأرض، ولكن لأسباب عملية، لا يستطيع البشر بناء مثل هذا التلسكوب الضخم.وهناك مجموعة EHT، التي تتكون من عدة تلسكوبات راديوية حول العالم.باستخدام تقنية تسمى التداخل، يتم إنشاء تلسكوب افتراضي بفتحة تعادل قطر الأرض لمراقبة الثقوب السوداء.

الشكل 5: صورة الثقب الأسود التي تم إنشاؤها بواسطة EHT (بواسطة أندرو تشيل)

وفي الوقت نفسه، قدمت ليا ميدوروس أيضًا أن لون الفتحة الأصلي في صورة الثقب الأسود غير مرئي للعين البشرية، وبالتالي لا يمكن إظهار اللون الحقيقي للجميع. السبب وراء اختيار الباحثين للون البرتقالي لتمثيله هو أن هذا اللون جميل. و،الضوء لا يأتي من الثقب الأسود نفسه، بل ينبعث من المادة المحيطة بالثقب الأسود.