Als unzählige Wissenschaft und allgemeine Nachrichtenagenturen haben heute berichtet, dass das Bild von Sagittarius A*, dem supermassereichen Schwarzen Loch im Zentrum unserer Galaxie, eine fabelhafte wissenschaftliche Errungenschaft ist. Ein Aspekt, der jedoch nicht ganz so viel Aufmerksamkeit erhalten hat, ist die zentrale Rolle, die Simulationen und synthetische Daten bei der Entdeckung spielen.
Wenn Sie diese großartigen Wissenschaftsnachrichten noch nicht gelesen haben, die Eigener Beitrag von Event Horizon Telescope ist ein großartiger Ort, um das Wesentliche zu verstehen. Basierend auf jahrelangen Beobachtungen aus der ganzen Welt gelang es einem riesigen Team an über hundert Institutionen, ein Bild des Schwarzen Lochs zusammenzustellen, um das sich unsere Galaxie dreht, trotz seiner relativen Nähe und der Interferenz von Staub, Nebeln und Lichtjahren im Wert von Lichtjahren andere Launen der Leere.
Aber es ging nicht nur darum, das Teleskop zur richtigen Zeit in die richtige Richtung zu richten. Schwarze Löcher können nicht direkt mit etwas wie dem Hubble oder sogar dem noch aufwärmenden Webb beobachtet werden. Stattdessen müssen alle möglichen anderen direkten und indirekten Messungen des Objekts durchgeführt werden – wie sich Strahlung und Schwerkraft um es herum biegen und so weiter.
Das bedeutet, dass Daten aus Dutzenden von Quellen zusammengetragen und abgeglichen werden müssen, was selbst eine enorme Aufgabe und ein großer Teil dessen ist, warum Beobachtungen aus dem Jahr 2017 erst jetzt als endgültiges Bild veröffentlicht werden, das Sie unten sehen können. Aber weil dieses Projekt wirklich keinen Präzedenzfall hat (selbst das berühmte M87*-Bild, obwohl oberflächlich ähnlich, verwendete unterschiedliche Prozesse), war es notwendig, im Wesentlichen mehrere Möglichkeiten zu testen, wie dieselben Beobachtungen hätten gemacht werden können.
Wenn es zum Beispiel in der Mitte „dunkel“ ist, liegt es daran, dass etwas im Weg ist (und es gibt ungefähr die Hälfte der Galaxie) oder weil das Loch selbst ein Loch hat (und es scheint)? Das Fehlen direkter Beobachtungsdaten macht es schwer zu sagen. (Beachten Sie, dass die Bilder hier nicht einfach ein Bild zeigen, das auf sichtbarem Licht basiert, sondern die abgeleitete Form, die auf unzähligen Strahlungsmessungen und anderen Messungen basiert.)
Bildnachweis: EHT
Denken Sie daran, ein gewöhnliches Objekt aus der Ferne zu betrachten. Von vorne betrachtet sieht es aus wie ein Kreis – aber ist es deshalb eine Kugel? Ein Teller? Ein Zylinder von vorne gesehen? Hier auf der Erde bewegen Sie vielleicht Ihren Kopf oder gehen ein paar Schritte zur Seite, um ein wenig mehr Informationen zu erhalten – aber versuchen Sie das in einem kosmischen Maßstab! Um eine effektive Parallaxe auf ein 27.000 Lichtjahre entferntes Schwarzes Loch zu bekommen, müssten Sie eine ziemliche Entfernung zurücklegen und dabei wahrscheinlich die Gesetze der Physik brechen. Die Forscher mussten also andere Methoden anwenden, um zu bestimmen, welche Formen und Phänomene am besten erklären, was wenig ist könnten beobachten.
Um die Designentscheidungen der Bildgebungsalgorithmen und ihre Auswirkungen auf die resultierenden Bildrekonstruktionen systematisch zu untersuchen und zu bewerten, haben wir eine Reihe synthetischer Datensätze generiert. Die synthetischen Daten wurden sorgfältig erstellt, um den Eigenschaften von Sgr A* EHT-Messungen zu entsprechen. Die Verwendung synthetischer Daten ermöglicht eine quantitative Bewertung der Bildrekonstruktion durch Vergleich mit der bekannten Grundwahrheit. Dies wiederum ermöglicht die Bewertung der Designauswahl und der Leistung der Bildgebungsalgorithmen.
Mit anderen Worten, sie generierten Ozeane von Daten, die sich auf verschiedene mögliche Erklärungen für ihre Beobachtungen beziehen, und untersuchten, wie vorhersagbar diese simulierten Umgebungen von Schwarzen Löchern waren.
Lisa Medeiros vom Institute for Advanced Study erklärte in einem sehr interessanten Q&A, das es wert ist, in seiner Gesamtheit angeschaut zu werden, wenn Sie die Zeit haben, ein wenig darüber, wie und warum die Studie den Spin des Schwarzen Lochs betrachtete und wie das zusammenhängt auf die Drehung der Materialien um sie herum und auf die Galaxie im Allgemeinen.
„Was an diesem neuen Ergebnis im Vergleich zu dem, was wir 2019 für M87 getan haben, wirklich aufregend war, war, dass wir in Papier 5 tatsächlich mehrere Simulationen einbeziehen, in denen wir das untersuchen [i.e., the spin relationships],“ Sie sagte. „Es gibt also Simulationen, bei denen die Drehachse des Schwarzen Lochs nicht auf die Drehachse der Materie ausgerichtet ist, die um das Schwarze Loch wirbelt, und dies ist eine wirklich neue und aufregende Simulation, die nicht in den Veröffentlichungen von 2019 enthalten war. ”
Bildnachweis: EHT
Natürlich sind diese Simulationen unglaublich komplizierte Dinge, für deren Verarbeitung Supercomputer erforderlich sind, und es ist eine Kunst und eine Wissenschaft, herauszufinden, wie viele sinnvoll sind und wie nahe sie beieinander liegen sollten. In diesem Fall ist die betrachtete Ausrichtungsfrage von inhärentem wissenschaftlichem Wert, könnte aber auch helfen, beispielsweise die Interferenz zu interpretieren, die durch Gase und Staub verursacht wird, die um das Schwarze Loch wirbeln. Wenn der Spin gefällt dieseseine Schwerkraft würde den Staub wie beeinflussen diesewas bedeutet, dass die Messwerte wie gelesen werden sollten diese.
„Unsere Simulationen, wenn wir die Simulationen mit den Daten vergleichen, neigen dazu, Modelle zu bevorzugen, die fast auf uns gerichtet sind – nicht direkt auf uns gerichtet, sondern um etwa 30 Grad versetzt“, fuhr Medeiros fort. „Und das würde darauf hindeuten, dass die Drehachse des Schwarzen Lochs nicht mit der Drehachse der Galaxie als Ganzes ausgerichtet ist, und wenn Sie glauben, was ich zuvor gesagt habe, zieht es die Scheibe vor, mit der Drehachse des Schwarzen ausgerichtet zu sein Loch. Es scheint, als ob die Scheibe und das Schwarze Loch ausgerichtet sind, aber dass keines von beiden mit der Galaxie ausgerichtet ist.“
Zusätzlich zur Verfolgung spezifischer Aspekte wie diesem gab es die allgemeinere Frage, welche Form (oder „zugrunde liegende Quellmorphologie“) die Messwerte erzeugen würde, die sie erhalten: im Wesentlichen die Frage „Kugel versus Platte“, aber viel, viel komplizierter.
In einem der heute veröffentlichten Papiere beschreibt das Team den Aufbau von sieben verschiedenen möglichen Morphologien für das Schwarze Loch, die unterschiedliche Anordnungen seiner Materie widerspiegeln, von Ring bis Scheibe und sogar eine Art binäres Schwarzes Loch – warum nicht, richtig? Sie simulierten, wie diese unterschiedlichen Formen unterschiedliche Ergebnisse in ihren Instrumenten erzeugen würden, und verglichen diese mit einer rechentechnisch (und sprachlich) anspruchsvolleren „allgemein relativistischen magnetohydrodynamischen“ oder GRMHD-Simulation.
Sie können diese in einer Kombination aus zwei Bildern aus dem Papier hier sehen:
Bildnachweis: EHT
Die Idee war herauszufinden, welche der Simulationen Ergebnisse lieferten, die denen am ähnlichsten waren, die sie tatsächlich sahen, und obwohl es keinen außer Kontrolle geratenen Gewinner gab, lieferten die Ring- und GRMHD-Simulationen (die, wie gesagt werden muss, eher ringähnlich waren – die konsistentesten Ergebnisse.) Dies informierte die Art und Weise, wie die Daten für die endgültige Interpretation der Daten und des resultierenden Bildes interpretiert wurden. (Beachten Sie, dass ich hier einen äußerst komplexen Prozess grob zusammenfasse.)
Wenn man bedenkt, dass diese Beobachtungen vor etwa fünf Jahren gemacht wurden und seitdem viel passiert ist, gibt es noch viel zu untersuchen und weitere Simulationen durchzuführen. Aber sie mussten irgendwann auf „Drucken“ klicken, und das Bild oben ist ihre fundierteste Interpretation der erzeugten Daten. Da sich Beobachtungen und Simulationen häufen, können wir zweifellos noch bessere erwarten.
Tatsächlich, wie es Richard Anantua von der University of Texas, San Antonio, in der Q&A-Sitzung ausdrückte, könnten Sie es sogar selbst versuchen.
„Wenn Sie in der sechsten Klasse sind und Zugang zu einigen Computern Ihrer Schule haben, gibt es meiner Meinung nach EHT-Bildgebung, und wir haben alle möglichen Pipelines und Tools, die Sie Ihrer Klasse beibringen können“, sagte er, scheinbar nur die Hälfte -scherzen. „Die Daten für einige davon sind öffentlich – Sie können also jetzt damit beginnen, daran zu arbeiten, und wenn Sie auf dem College sind, haben Sie so ziemlich ein Bild.“