Simulação encontra observação na primeira imagem do buraco negro supermassivo no centro da nossa galáxia – TechCrunch

Como inúmeros meios de comunicação científicos e gerais relataram hoje, a imagem de Sagitário A*, o buraco negro supermassivo no centro de nossa galáxia, é uma conquista científica fabulosa. Mas um aspecto que não recebeu tanta atenção é o papel central desempenhado por simulações e dados sintéticos na descoberta.

Se você ainda não leu sobre essas incríveis notícias científicas, o Post próprio do Event Horizon Telescope é um ótimo lugar para obter a essência. Com base em anos de observações de todo o mundo, uma enorme equipe em mais de cem instituições conseguiu montar uma imagem do buraco negro em torno do qual nossa galáxia gira, apesar de sua relativa proximidade e da interferência de anos-luz de poeira, nebulosas, e outros caprichos do vazio.

Mas não se tratava apenas de apontar o telescópio na direção certa na hora certa. Os buracos negros não podem ser observados diretamente usando algo como o Hubble ou mesmo o Webb ainda em aquecimento. Em vez disso, todos os tipos de outras medições diretas e indiretas do objeto devem ser feitas – como a radiação e a gravidade se curvam em torno dele e assim por diante.

Isso significa que dados de dezenas de fontes devem ser reunidos e reconciliados, uma tarefa enorme e grande parte do motivo pelo qual as observações feitas em 2017 só agora estão sendo publicadas como uma imagem final, que você pode ver abaixo. Mas como esse projeto realmente não tem precedentes (mesmo a famosa imagem M87*, embora superficialmente semelhante, usou processos diferentes), foi necessário testar essencialmente múltiplas possibilidades de como as mesmas observações poderiam ter sido feitas.

Por exemplo, se está “escuro” no meio, é porque há algo no caminho (e há – cerca de metade da galáxia) ou porque o buraco em si tem um buraco (e parece)? A falta de dados observacionais diretos torna difícil dizer. (Observe que as imagens aqui não mostram simplesmente uma imagem baseada na luz visível, mas a forma inferida com base em inúmeras leituras de radiação e outras medidas.)

Esta é a primeira imagem de Sgr A*, o buraco negro supermassivo no centro da nossa galáxia.

Créditos da imagem: EHT

Pense em ver um objeto comum à distância. De frente parece um círculo – mas isso significa que é uma bola? Um prato? Um cilindro visto na extremidade? Aqui na Terra você pode mover sua cabeça ou dar alguns passos para o lado para obter um pouco mais de informação – mas tente fazer isso em uma escala cósmica! Para obter paralaxe efetiva em um buraco negro a 27.000 anos-luz de distância, você precisaria percorrer uma boa distância e provavelmente quebrar as leis da física no processo. Assim, os pesquisadores precisaram usar outros métodos para determinar quais formas e fenômenos melhor explicavam o pouco que o poderia observar.

Para explorar e avaliar sistematicamente as escolhas de design dos algoritmos de imagem e seus efeitos nas reconstruções de imagem resultantes, geramos uma série de conjuntos de dados sintéticos. Os dados sintéticos foram cuidadosamente construídos para corresponder às propriedades das medições Sgr A* EHT. O uso de dados sintéticos permite a avaliação quantitativa da reconstrução da imagem por comparação com a verdade do terreno conhecido. Isso, por sua vez, permite a avaliação das escolhas de design e desempenho dos algoritmos de imagem.

Em outras palavras, eles geraram oceanos de dados relacionados a diferentes explicações possíveis para suas observações e analisaram quão preditivos eram esses ambientes simulados de buracos negros.

Lisa Medeiros, do Institute for Advanced Study, em uma sessão de perguntas e respostas muito interessante que vale a pena assistir na íntegra se você tiver tempo, explicou um pouco sobre como e por que o estudo analisou o giro do buraco negro e como isso se relacionou ao giro dos materiais ao seu redor e à galáxia em geral.

“O que foi realmente empolgante nesse novo resultado, comparado ao que fizemos em 2019 para o M87, foi no artigo 5 que incluímos várias simulações onde exploramos isso [i.e. the spin relationships],” ela disse. “Então, existem simulações em que o eixo de rotação do buraco negro não está alinhado com o eixo de rotação da matéria que está girando em torno do buraco negro, e esta é uma simulação realmente nova e emocionante que não foi incluída nas publicações de 2019. ”

sim readings

Créditos da imagem: EHT

Naturalmente, essas simulações são coisas incrivelmente complicadas que exigem supercomputadores para processar, e há uma arte e uma ciência para descobrir quantas fazem sentido fazer e quão próximas elas devem ser. Nesse caso, a questão do alinhamento que está sendo analisada é de valor científico inerente, mas também pode ajudar a interpretar, por exemplo, a interferência causada por gases e poeira girando em torno do buraco negro. Se o giro é como estasua gravidade afetaria a poeira como estao que significa que as leituras devem ser lidas como esta.

“Nossas simulações, quando olhamos para as simulações comparadas com os dados, tendemos a preferir modelos que estão quase apontados para nós – não diretamente para nós, mas cerca de 30 graus”, continuou Medeiros. “E isso indicaria que o eixo de rotação do buraco negro não está alinhado com o eixo de rotação da galáxia como um todo, e se você acredita no que eu disse antes, o disco prefere estar alinhado com o eixo de rotação do buraco negro. buraco. Parece que o disco e o buraco negro estão alinhados, mas nenhum deles está alinhado com a galáxia.”

Além de ir atrás de aspectos específicos como esse, havia a questão mais geral de qual forma (ou “morfologia da fonte subjacente”) produziria as leituras que eles obtiveram: essencialmente a questão “bola versus placa”, mas muito, muito mais complicada .

Em um dos artigos divulgados hoje, a equipe descreve a construção de sete diferentes morfologias potenciais para o buraco negro, refletindo diferentes arranjos de sua matéria, do anel ao disco e até mesmo uma espécie de buraco negro binário – por que não, certo? Eles simularam como essas diferentes formas produziriam resultados diferentes em seus instrumentos e compararam aqueles com uma simulação “Magnetohidrodinâmica relativística geral” ou GRMHD mais exigente computacionalmente (e linguisticamente).

Você pode ver isso em uma combinação de duas imagens do jornal aqui:

Imagens de buracos negros simulados e como seus dados podem aparecer para sensores na Terra.

Créditos da imagem: EHT

A ideia era descobrir qual das simulações produzia resultados mais parecidos com os que eles realmente viram e, embora não houvesse um vencedor fugitivo, os sims de anel e GRMHD (que deve ser dito eram bastante semelhantes a anéis – produziram os resultados mais consistentes. Isso informou o como os dados foram interpretados para a interpretação final dos dados e da imagem resultante. (Observe que estou resumindo amplamente um processo extremamente complexo aqui.)

Considerando que essas observações foram feitas há cerca de cinco anos e muito aconteceu desde então, ainda há muito o que investigar e mais simulações a serem executadas. Mas eles tiveram que clicar em “imprimir” em algum momento e a imagem no topo é sua interpretação mais informada dos dados produzidos. À medida que as observações e simulações se acumulam, sem dúvida podemos esperar outras ainda melhores.

Na verdade, como Richard Anantua da Universidade do Texas, San Antonio, colocou na sessão de perguntas e respostas, você pode até tentar.

“Se você está na sexta série e pode ter acesso a alguns dos computadores da sua escola, acho que há imagens EHT, e temos todos os tipos de pipelines e ferramentas que você pode ensinar à sua classe”, disse ele, aparentemente apenas metade brincadeira. “Os dados de parte disso são públicos – então você pode começar a trabalhar nisso agora e, quando estiver na faculdade, terá praticamente uma imagem.”

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