Most először láthatjuk, hogyan néz ki három dimenzióban egy, a Tejútrendszer szupermasszív fekete lyuka körül lejátszódó kitörés. A csillagászok és informatikusok együttműködésével létrejött friss kutatás mesterséges intelligenciával (AI) rekonstruálta az objektum körül szédítő sebességgel keringő anyag felvillanását, ami hozzájárul a fekete lyukak körüli extrém folyamatok megértéséhez.

A Földtől nagyjából 27 ezer fényévre, a Tejútrendszer középpontjában található Sagittarius A* (Sgr A*) nem számít óriásnak a szupermasszív fekete lyukak között, de tömege így is mintegy négymilliószor nagyobb, mint a Napé. A Sgr A* körül keringő felhevült gáz közel fénysebességgel mozog, és egy hatalmas, akkréciós korongnak nevezett gyűrűt alkot – ez az, ami narancssárga színnel kivehető az Eseményhorizont Távcső kollaboráció 2022-ben közzétett képén a fekete lyuk árnyéka körül:

„Ez a különleges környezet nagy energiájú, flereknek nevezett kitöréseket produkál, amelyek röntgen-, infravörös és rádiótartományban is megfigyelhetők” – nyilatkozta a Qubitnek Aviad Levis, a Kaliforniai Műszaki Egyetem (Caltech) tudományos képalkotással foglalkozó kutatója és a hétfőn a Nature Astronomy folyóiratban megjelent tanulmány egyik szerzője. A szakember szerint kutatásuk legfontosabb eredménye, hogy meg tudták mutatni, hogyan néz ki a Sgr A* körüli felfényesedés háromdimenziós szerkezete egy igazán érdekes időszakban, közvetlenül egy fler után.

A rádiótartományú felfényesedést még 2017 áprilisában figyelték meg a chilei ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) rendszerrel, amely egy 66 rádióteleszkópból álló hálózat az Atacama-sivatagban, 5000 méteres magasságban. Az ALMA ekkor az Eseményhorizont Távcső kollaboráció együttes megfigyelési kampányában vett részt, aminek eredményeként látott napvilágot a két évvel ezelőtti felvétel. A rádiótávcső-rendszer felbontása azonban önmagában közel sem elegendő ahhoz, hogy feltárja a szupermasszív fekete lyuk környezetét, így Levisnek és kollégáinak egy fénygörbéből – lényegében egyetlen villódzó pixelről készült videóból – kellett a háromdimenziós szerkezetet rekonstruálniuk, ami rendkívüli kihívást jelentett.

A kutatásban használt módszer ahhoz hasonlít, ahogy a komputertomográf (CT) beszkenneli a benne fekvő embert, azzal a fontos különbséggel, hogy a flert a testtel ellentétben csak egyetlen szögből lehet megfigyelni. A megközelítésük ezért a Sgr A* körül keringő struktúra időbeli változásának mérésén alapszik, ami szerintük kiváltja a hagyományos tomográfiához szükséges több nézőpontot.

Ahhoz, hogy ez az idősor alapú rekonstrukció lehetséges legyen az ALMA méréseivel, kellett egy fejlett neurális háló, amit a kutatóknak be kellett határolniuk a fekete lyuk körül várt fizikai törvényszerűségekkel. Levis erre két példát hozott: az egyik ilyen, hogy miként kering a gáz a fekete lyuk körül, a másik pedig, hogy a folyamat során a részecskék miként bocsátanak ki egy szinkrotronsugárzásnak nevezett elektromágneses sugárzást.

A szakember szerint a kutatást a gravitációs fizika és a mesterséges intelligencia területek párosításán keresztül folytatták le, amivel csúcstechnológiás algoritmusokat tudtak létrehozni. Az eredmény így, mint írta, nem egy normál fényképfelvétel, hanem egy számítógéppel készített háromdimenziós kép, amit egy neurális háló állított elő az ALMA idősoros megfigyelései és a fekete lyuk körül várt fizika alapján.

„Elhelyezzük számítógépes módszerrel a háromdimenziós [fény]kibocsátást a Sgr A* körüli pályán, egy tetszőleges formából kiindulva” – magyarázta Levis, hogyan végezték a rekonstrukciót. Ezután a modern videókártyákból ismerős (azoknál a jelenetek realisztikus megvilágításának szimulálására használt) sugárkövetés (ray tracing) segítségével lemodellezték, hogy miként látná a rádióteleszkóp-rendszer a struktúrát 10-20-30 perc múlva, vagy még később. „A neurális sugárzási mezők és az általános relativitáselméletre alapuló sugárkövetés technológiái módot adnak arra, hogy addig változtatgassuk a háromdimenziós struktúrát, amíg a modell megegyezik a megfigyelésekkel” – írta válaszában.

De pontosan mit is találtak? Levis kérdésünkre azt írta, hogy az elméleti szakemberek az utóbbi időben több különböző mechanizmust dolgoztak ki arra, hogy miként jöhet létre egy ilyen fler – köztük egy olyat, ami a flerek keletkezését az akkréciós korongban hirtelen létrejövő extrém fényes, kompakt régiókhoz köti.

Az alapján, amit jelenleg gondolunk a Sgr A* körül lejátszódó fizikai folyamatokról, a kutató szerint „a fényesség néhány kisebb régióban koncentrálódik az akkréciós korongon belül, ami az elméleti modellekkel passzoló, izgalmas mérési eredmény”. Ezek a fényes foltok a fekete lyuktól 66-84,5 millió kilométerre keringenek, ami nagyjából a fele a Föld és a Nap 150 millió kilométeres átlagos távolságának.

„Úgy modelleztük a flert, hogy az az akkréciós korongból jön, így az eredmények érvényessége ezen a feltevésen alapszik” – írta a kutató, amikor a modellek mögött meghúzódó főbb feltételezésekről kérdeztük. Ez ugyanakkor szerinte korábbi bizonyítékokon, például a GRAVITY tudományos kollaboráció egyik elemzésén alapszik, amely egy fler felfényesedését követte nyomon a Sgr A* tömegközéppontja körül.

A GRAVITY műszer az Európai Déli Obszervatórium (ESO) Nagyon Nagy Távcsövét (VLT) alkotó négy teleszkóp képét kombinálja, amivel példátlan precizitással tudja megmérni a galaxisunk középpontjában található égitestek mozgását. „Azt reméljük, hogy a jövőben kibővíthetjük a vizsgálatunkat azzal, hogy lazítunk az ebben a tanulmányban tett fizikai feltevéseken, például azon a követelményen, hogy a felfényesedésnek a korongon belül kell lennie” – írta Levis.

A Tejútrendszer szupermasszív fekete lyukával legutóbb márciusban foglalkoztunk, amikor az Eseményhorizont Távcső kollaboráció egy lenyűgöző felvételt közölt a Sgr A* körüli mágnes mezőkről. A mérések arra engednek következtetni, hogy az objektum egy eddig még nem észlelt, nagy energiájú nyalábot (jet) is rejtegethet magában.