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내용을 한눈에 보기:2019년, 이벤트 호라이즌 망원경(EHT)의 글로벌 연구팀은 인류 역사상 최초의 블랙홀 사진을 공개했습니다. 당시의 관찰 조건으로 인해, 블랙홀의 이미지는 흐릿한 윤곽만 보여주었습니다. 최근 천체물리학 저널인 "The Astrophysical Journal Letters"에 PRIMO 알고리즘을 기반으로 M87 블랙홀의 이미지를 재구성한 논문이 게재되었습니다. 연구 결과는 더욱 선명한 블랙홀 이미지를 보여주었습니다.
키워드:M87 블랙홀 PRIMO 알고리즘 PCA

본 기사는 HyperAI WeChat 공개 플랫폼에 처음 게재되었습니다~

블랙홀은 현대 일반 상대성 이론에서 우주에 존재하는 천체입니다. 중력이 너무 강해서 사건의 지평선 안에서의 탈출 속도가 빛의 속도보다 빠르기 때문에 블랙홀이라고 불립니다. M87 블랙홀은 지구로부터 5,500만 광년 떨어진 거대한 천체입니다.질량은 태양의 약 65억 배이다.

2019년, 이벤트 호라이즌 망원경(EHT)의 글로벌 연구팀은 인간이 촬영한 최초의 블랙홀 사진인 M87 블랙홀 사진을 공식적으로 공개했습니다. 이는 인간이 블랙홀의 실제 모습을 목격한 최초의 사례로, M87 블랙홀은 하룻밤 사이에 전 세계적으로 "인기"를 얻게 되었습니다.그러나 관찰 조건의 한계로 인해 블랙홀의 첫 번째 이미지는 흐릿한 윤곽만 나타낼 수 있었습니다.

최근에,고등연구소의 연구원들은 30,000개 이상의 고해상도 시뮬레이션 블랙홀 이미지를 사용하여 PRIMO(주성분 간섭 모델링) 알고리즘을 훈련시켰습니다.블랙홀 주변의 빛 전파 법칙을 알아서 더 높은 품질과 더 선명한 블랙홀 이미지를 재구성합니다. PRIMO는 과학자들이 블랙홀을 더욱 심층적으로 연구하고 그 속성과 특징을 이해할 수 있도록 하는 동시에 천문학과 물리학의 미래 발전에 큰 잠재력을 지닌 새로운 유형의 데이터 처리 방법을 제공합니다.이 연구는 "PRIMO로 재구성한 M87 블랙홀의 이미지"라는 제목으로 천체물리학 저널 Letters에 게재되었습니다.

결과는 The Astrophysical Journal Letters에 게재되었습니다.

서류 주소:

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

"도넛"에서 "황금반지"까지

2017년 EHT는 지구 지름과 같은 구경의 전파 망원경을 이용해 M87 블랙홀의 사진을 성공적으로 촬영했습니다.사진에서 M87은 "도넛"처럼 보이고, 가운데 그림자를 둘러싼 바깥쪽에 밝은 고리가 있습니다.

그림 1: M87 블랙홀의 이미지

왼쪽: 2017년 이벤트 호라이즌 망원경이 촬영한 M87 블랙홀 사진.

가운데: PRIMO 알고리즘을 사용하여 2017년 M87 데이터를 재구성한 결과.

오른쪽: PRIMO 이미지를 EHT 배열의 해상도로 흐리게 처리한 모습.

그림 1은 M87 블랙홀의 첫 번째 사진과 비교했을 때, 재구성된 이미지 링의 너비가 절반으로 줄어들었고, 중앙에 더 크고 어두운 영역이 노출되어 "황금 고리"와 더 유사하다는 것을 보여줍니다. 이는 연구자들이 블랙홀 이미지의 해상도를 성공적으로 개선했으며, 해당 이미지가 EHT 데이터와 이론적 예상과 일치한다는 것을 보여줍니다. 이와 관련하여 본 논문의 제1저자인 리아 메데이로스는 다음과 같이 말했습니다."이 연구의 진전은 블랙홀 행동에 대한 보다 깊은 이해는 물론, 이론적 모델 검증과 중력 실험에 매우 중요합니다."

실험 절차

프로세스 개요

연구진은 2017년 4월 5일, 6일, 10일, 11일에 EHT가 M87 블랙홀을 관측한 데이터를 이번 연구의 훈련 데이터 세트로 사용했습니다.관찰은 5개 지리적 위치에 있는 7개의 전파 망원경에서 이루어졌습니다.이 중 4월 11일의 관측자료가 벤치마크 자료이다.

이 실험에서는연구진은 주로 새로운 이미지 재구성 알고리즘인 PRIMO를 사용하여 블랙홀 이미지를 재구성했습니다.먼저, 연구진은 일반 상대론적 자기유체역학(GRMHD) 시뮬레이션을 사용하여 수많은 블랙홀 시뮬레이션 이미지를 생성했습니다. 그런 다음 주성분 분석(PCA)을 사용하여 GRMHD 시뮬레이션 이미지 라이브러리에서 희소 직교 기저 집합을 얻습니다. 이는 사전 학습의 사용 사례이기도 합니다. 마지막으로, PCA 기반과 PRIMO 알고리즘을 사용하여 희소 간섭 데이터로부터 이미지를 재구성합니다.

* GRMHD:일반 상대성 이론 자기유체역학(GRMHD)은 일반 상대성 이론과 자기유체역학을 결합하여 고속 운동과 강한 자기장 조건에서 물질과 에너지의 행동을 설명하는 이론적 틀입니다. GRMHD는 광범위한 분야에 적용 가능하며, 특히 극한의 물리 현상을 연구하고 시뮬레이션하는 데 적합합니다.블랙홀 주변의 플라스마 흐름, 성간 공간에서의 자기유체역학의 거동, 은하와 은하단의 형성과 진화 등이 여기에 포함됩니다. GRMHD 시뮬레이션을 통해 우리는 블랙홀의 강착 과정, 제트의 생성, 은하에서의 별 형성 메커니즘과 같은 중요한 문제들을 연구할 수 있습니다.

* PCA:주성분 분석(PCA)은 데이터 세트의 통계적 분석 및 단순화에 사용되는 방법입니다. 직교 변환을 통해 상관관계가 있을 수 있는 변수 관찰값을 선형적으로 상관관계가 없는 변수 값의 집합으로 변환합니다. 이러한 상관관계가 없는 변수를 주성분이라고 합니다. 연구자들은 PCA를 적용함으로써 복잡한 데이터 세트를 더 적은 수의 주성분으로 단순화할 수 있습니다. PCA는 데이터 차원 축소, 특징 추출, 데이터 시각화에 폭넓게 적용됩니다.PCA를 사용하면 연구자는 데이터를 더 잘 이해하고 이를 더 쉽게 해석하고 사용할 수 있는 형태로 변환하여 데이터 속에 숨겨진 정보와 관계를 발견할 수 있습니다.

* 프리모:PRIMO(주성분 간섭 모델링)는 사전 학습을 기반으로 한 새로운 알고리즘입니다. 그 핵심은 주성분 간섭 모델링 기술입니다. 이는 수많은 블랙홀 시뮬레이션 이미지를 기반으로 훈련되었습니다.무선 망원경 범위가 좁은 상황에서도 연구자들이 고화질 이미지를 복구할 수 있도록 합니다.그리고 밀리미터파 간섭계에서 데이터 희소성 문제를 해결하기 위해 EHT 어레이의 물리적 분해능을 달성합니다.

매개변수 연구

연구자들은 이 실험에서 매개변수 연구를 수행했습니다.매개변수 연구는 시스템이나 모델의 매개변수를 변화시키고 조정하여 시스템 동작과 결과에 미치는 효과를 관찰하고 이해하는 것을 포함합니다.이 연구를 통해 연구자들은 실험 중에 매개변수가 다양한 변수와 출력 결과에 어느 정도 영향을 미치는지, 그리고 매개변수 간의 관계를 살펴볼 수 있습니다.

연구진은 M87의 벤치마크 PRIMO 이미지의 총 컴팩트 소스 플럭스를 0.6 Jy로 설정하고 20개 PCA 구성 요소의 선형 조합을 사용하여 이미지를 재구성했습니다. 매개변수 연구에서 연구자들은 기준선 이미지를 다양한 총 컴팩트 소스 플럭스와 다양한 PCA 구성 요소를 사용하여 얻은 이미지와 비교했습니다.이미지 특징의 변화를 관찰하는 데 사용됩니다.예를 들어, 고리의 가장 밝은 지점의 크기, 밝기, 각도 등입니다. 결과는 아래 그림과 같습니다.

그림 2: 기준선 이미지와 다양한 플럭스 및 PCA 구성 요소를 포함하는 이미지 비교

위: 총 플럭스가 0.5, 0.6, 0.7 Jy일 때의 최대 사후 PRIMO 이미지 비교.

중간: 12개, 14개, 18개의 PCA 구성 요소만을 사용하여 최대 사후 이미지의 비교.

아래: 벤치마크 체인의 MCMC 단계에서 무작위로 추출한 예시 이미지. 플럭스는 0.6 Jy이고 PCA 구성 요소는 20개입니다.

그림에서 볼 수 있듯이,전체 압축 소스 플럭스가 다르고 PCA 구성 요소의 수가 다르면 링의 가장 밝은 부분의 밝기와 위치 각도가 달라집니다.동시에, 링의 크기와 너비는 영향을 받지 않습니다. 그림 3은 2017년 4월 5일, 6일, 10일, 11일의 EHT 데이터를 기반으로 재구성된 이미지를 비교한 것입니다.

그림 3: 2017년 4월 5일, 6일, 10일, 11일 EHT 데이터로부터 재구성된 이미지 비교

그림에서 볼 수 있듯이, 고리의 가장 밝은 부분과 고리 남쪽 부분의 가장 밝은 부분의 위치 각도는 날짜마다 약간씩 다릅니다. 처음 두 날과 마지막 두 날의 이미지를 비교하면, 고리의 가장 밝은 부분의 위치 각도와 고리의 밝기의 차이도 명확히 볼 수 있습니다.연구자들은 이것이 관찰된 소스 구조, 즉 블랙홀 주변 물질의 분포와 배열의 차이 때문이라고 생각합니다.

논문의 첫 번째 저자는 인터뷰를 통해 PRIMO가 천문학에 미치는 영향에 대해 자세히 설명했습니다.

2023년 4월 14일Discovery Files 팟캐스트에서는 이 논문의 첫 번째 저자인 리아 메데이로스를 인터뷰했습니다.

리아 메데이로스는 인터뷰에서 이론적으로 블랙홀을 관찰하기 위한 망원경은 지구만큼 커야 하지만, 현실적인 이유로 인간이 그렇게 거대한 망원경을 만들 수 없다고 말했습니다.전 세계에 있는 여러 개의 전파 망원경으로 구성된 EHT 어레이가 있습니다.간섭계라는 기술을 사용하여 지구 지름과 같은 구경의 가상 망원경을 만들어 블랙홀을 관찰합니다.

그림 5: EHT가 생성한 블랙홀 이미지(Andrew Chael 제공)

동시에 리아 메데이로스는 블랙홀 이미지의 원래 조리개 색상은 인간의 눈에는 보이지 않기 때문에 실제 색상을 모든 사람에게 보여줄 수는 없다고 밝혔습니다. 연구자들이 주황색을 상징으로 선택한 이유는 이 색깔이 아름답기 때문입니다. 그리고,빛은 블랙홀 자체에서 나오는 것이 아니라 블랙홀 주변 물질에서 방출됩니다.