PRIMO を使用して M87 ブラックホールの画像を再構成し、プリンストン高等研究所は「ドーナツ」を「黄金の輪」に変換することに成功しました。

2 年前

情報

サイエンスAI

天文学

Yinrong Huang

内容の概要:2019年、世界的研究チーム「イベント・ホライゾン・テレスコープ（EHT）」は、当時の観測条件の制限により、ぼやけた輪郭しか示さなかった人類史上初のブラックホール写真を公開した。最近、天体物理学雑誌「The Astrophysical Journal Letters」に、PRIMO アルゴリズムに基づいて M87 ブラックホール画像を再構成する論文が掲載されました。この研究結果により、より鮮明なブラックホール画像が得られました。
キーワード:M87 ブラックホール PRIMO アルゴリズム PCA

この記事は、HyperAI Super Neural WeChat パブリックプラットフォームで初めて公開されました~

ブラックホールとは、現代の一般相対性理論において宇宙に存在する天体です。その重力は非常に強く、事象の地平線内での脱出速度は光速を超えるため、ブラックホールと呼ばれます。 M87 ブラックホールは、地球から 5,500 万光年離れた巨大な天体です。その質量は太陽の約65億倍です。

2019 年、イベントホライゾンテレスコープ (EHT) の世界研究チームは、人類が撮影した最初のブラックホール写真、M87 ブラックホール写真を正式に発表しました。人類がブラックホールの本当の姿を目撃したのはこれが初めてで、M87ブラックホールの「爆発」は一夜にして世界中で「有名」になった。しかし、観察条件の制限により、最初のブラックホール画像はぼやけた輪郭しか表示できませんでした。

最近、高等研究所の研究者は、PRIMO (主成分干渉モデリング) アルゴリズムをトレーニングするために、30,000 枚を超える高解像度の模擬ブラックホール画像を使用しました。ブラックホールの周囲の光の伝播の法則を学び、より高品質で鮮明なブラックホール画像を再構成します。 PRIMO を使用すると、科学者はブラックホールをより深く研究し、その特性と特性を理解できるようになり、天文学と物理学の将来の発展に大きな可能性をもたらす新しいタイプのデータ処理方法も提供されます。この研究は「The Image of the M87 Black Hole Reconstructed with PRIMO」というタイトルで「The Astrophysical Journal Letters」誌に掲載された。

結果は「The Astrophysical Journal Letters」に掲載されました。

用紙のアドレス:

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

「ドーナツ」から「ゴールデンリング」まで

2017年、EHTは地球の直径と同等の口径を持つ電波望遠鏡を使ってM87ブラックホールの写真撮影に成功した。写真は、M87 が外側に明るいリングと中央に影がある「ドーナツ」のように見えることを示しています。

図 1: M87 ブラックホールの画像

左: 2017 年にイベントホライゾン望遠鏡によって撮影された M87 ブラックホールの写真。

中央: PRIMO アルゴリズムを使用した 2017 年の M87 データの再構成結果。

右: PRIMO 画像を EHT アレイの解像度に合わせてぼかします。

図 1 は、最初の M87 ブラックホールの写真と比較して、再構成されたイメージリングの幅が 2 倍になり、より大きくて暗い領域が中央に露出していることを示しています。これは、より「ゴールデンリング」に似ています。これは、研究者らがブラックホール画像の解像度の向上に成功し、その画像が EHT データおよび理論的期待と一致していることを示しています。この点に関して、この論文の筆頭著者であるリア・メデイロス氏は次のように述べています。「この研究の進歩は、ブラックホールの挙動を深く理解するだけでなく、理論モデルの検証や重力実験にとっても非常に重要です。」

実験プロセス

プロセスの概要

研究者らは、2017年4月5日、6日、10日、11日のM87ブラックホールのEHT観測データを、この研究のトレーニングセットとして使用しました。これらの観測データは、地理的に 5 つの場所にある 7 つの電波望遠鏡サイトから取得されています。このうち、4月11日の観測データがベンチマークデータセットとなります。

この実験では、研究者らは主に、新しい画像再構成アルゴリズム PRIMO を使用してブラックホール画像を再構成しました。まず、研究者らは一般相対論的磁気流体力学（GRMHD）シミュレーションを使用して、ブラックホールの模擬画像を多数生成した。次に、主成分分析 (PCA) を使用して、GRMHD シミュレーション画像ライブラリ内の一連の疎な直交基底 (直交基底) を取得します。これは、辞書学習の使用例でもあります。最後に、PCA ベースと PRIMO アルゴリズムを使用して、まばらな干渉データから画像を再構成します。

* GRMHD:一般相対論的磁気流体力学 (GRMHD) は、一般相対性理論と磁気流体力学を組み合わせた理論的枠組みであり、高速運動と強い磁場の下での物質とエネルギーの挙動を記述するために使用されます。 GRMHD には幅広い用途があり、特にいくつかの極端な物理現象の研究とシミュレーションに適しています。ブラックホールの周囲のプラズマの流れ、星間空間における磁性流体の挙動、銀河や銀河団の形成と進化など。 GRMHD シミュレーションを通じて、ブラックホールの降着過程、ジェットの生成、銀河における星形成のメカニズムなどの重要な問題を研究できます。

* PCA:主成分分析 (PCA) は、統計分析とデータセットの単純化のための方法です。相関している可能性のある変数の観測値を、直交変換を通じて線形に相関のない変数値のセットに変換します。これらの相関のない変数は主成分と呼ばれます。 PCA を適用することで、研究者は複雑なデータセットを少数の主成分に減らすことができます。 PCA は、データの次元削減、特徴抽出、データの視覚化などの分野で幅広く応用されています。PCA を使用することにより、研究者はデータをより深く理解し、解釈および使用しやすい形式に変換することで、データ内の隠された情報と関係を発見できます。

* プリモ:PRIMO (主成分干渉モデリング) は、辞書学習に基づいた新しいアルゴリズムです。その核心は、多数のシミュレートされたブラックホール画像のトレーニングを通じて、研究者は、電波望遠鏡の範囲がまばらであっても、高忠実度の画像を復元できます。また、ミリ波干渉法におけるデータの疎性の問題に対処するために、EHT アレイの物理分解能を達成します。

パラメトリックスタディ

研究者らはこの実験でパラメータ研究を実施しました。パラメトリック調査とは、システムの動作や結果に対するパラメーターの影響を観察および理解するために、システムまたはモデル内のパラメーターを変更および調整することを指します。この研究を通じて、研究者は、実験中のさまざまな変数と出力結果に対するパラメーターの影響の程度、およびパラメーター間の相互関係を調査できます。

研究者らは、M87ベンチマークPRIMO画像のコンパクトソース全光束を0.6Jyに設定し、20個のPCAコンポーネントの線形結合を使用して画像を再構成しました。パラメトリック研究において、研究者らは、ベースライン画像と、異なる総コンパクト光源フラックスおよび異なる PCA コンポーネントを使用して取得された画像を比較しました。画像の特徴の変化を観察するために使用されます。例えば、指輪の一番明るい部分の大きさ、明るさ、角度などです。結果を以下に示します。

図 2: ベースライン画像と、さまざまな磁束および PCA 成分の画像の比較

上: 合計光束がそれぞれ 0.5、0.6、0.7Jy の場合の最大事後 PRIMO 画像の比較。

中央: 12、14、および 18 PCA コンポーネントのみを使用した最大事後画像の比較。

下: 0.6Jy のフラックスと 20 PCA コンポーネントを使用したベンチマークチェーンの MCMC ステップからランダムに抽出された画像の例。

写真でわかるように、圧縮ソースの総光束や PCA コンポーネントの数が異なると、リングの最も明るい部分の明るさと位置角度に違いが生じます。同時に、リングのサイズと幅は影響を受けません。図 3 は、2017 年 4 月 5、6、10、11 日の EHT データに基づいて再構成された画像の比較を示しています。

図 3: 2017 年 4 月 5、6、10、11 日の EHT データの再構成画像の比較

最初の2日間の画像と今回の画像を比較すると、リングの最も明るい部分、リングの南側の最も明るい部分の位置や角度などが、異なる日付でわずかに変化していることがわかります。この2日間では、リングの最も明るい部分とハローの位置と角度、明るさの違いもはっきりと確認できます。研究者らは、これは観察された発生源の構造、つまりブラックホール周囲の物質の分布と配置の違いによるものだと考えている。

天文学に対する PRIMO の影響を詳述する、論文の筆頭著者へのインタビュー

2023 年 4 月 14 日Discovery Files Podcast は、この論文の筆頭著者である Lia Medeiros にインタビューを実施しました。

リア・メデイロス氏はインタビューの中で、理論的にはブラックホールを観察するための望遠鏡は地球と同じくらいの大きさでなければならないが、現実的な理由から人間はそのような巨大な望遠鏡を作ることはできないと語った。そこで、世界中の複数の電波望遠鏡で構成される EHT アレイがあります。干渉法と呼ばれる技術を使用して、地球の直径と同等の口径を備えた仮想の望遠鏡を作成し、ブラックホールを観察します。

図 5: EHT を使用したブラックホール画像の生成 (Andrew Chael 著)

同時に、リア・メデイロス氏は、ブラックホール画像の元の開口部の色は人間の目には見えないため、実際の色を誰にでも見せることができないことも紹介しました。研究者らがそれを表すためにオレンジを選んだ理由は、この色だからです。美的です。そして、この光はブラックホール自体から発せられるのではなく、ブラックホールを取り囲む物質から発せられます。