AI tái hiện Tia sáng lỗ đen trung tâm Dải Ngân Hà

Các nhà khoa học đã sử dụng trí thông minh nhân tạo (AI) để xây dựng mô hình ba chiều về một đợt bùng phát năng lượng, hay còn gọi là tia sáng, xảy ra xung quanh lỗ đen siêu khối lượng trung tâm của Dải Ngân Hà, Sagittarius A * (Sgr A *). Mô hình 3D này có thể giúp các nhà khoa học hình dung rõ ràng hơn về môi trường đầy biến động hình thành xung quanh các lỗ đen siêu khối lượng nói chung.

Các vật chất xoáy quanh Sgr A * tồn tại trong một cấu trúc phẳng gọi là “đĩa bồi tụ”, có khả năng bùng phát định kỳ. Các vụ bùng phát này xảy ra trên nhiều bước sóng ánh sáng, từ tia X năng lượng cao đến ánh sáng hồng ngoại và sóng vô tuyến năng lượng thấp.

Các mô phỏng trên siêu máy tính chỉ ra rằng tia sáng được Đài thiên văn vô tuyến tổng hợp lớn Atacama (ALMA) quan sát vào ngày 11 tháng 4 năm 2017 có nguồn gốc từ hai điểm sáng vật chất dày đặc trong đĩa bồi tụ của Sgr A *, cả hai đều hướng về Trái đất. Những điểm sáng đó xoáy quanh một lỗ đen siêu khối lượng có khối lượng gấp khoảng 4,2 triệu lần Mặt Trời và được ngăn cách bởi khoảng cách bằng một nửa khoảng cách giữa Trái đất và Mặt trời (khoảng 75 triệu km).

Việc tái tạo các tia sáng này ở dạng 3D từ dữ liệu quan sát rất phức tạp. Để giải quyết vấn đề này, nhóm nghiên cứu do nhà khoa học Aviad Levis thuộc Viện Công nghệ California dẫn đầu đã đề xuất một kỹ thuật chụp ảnh mới gọi là “chụp cắt lớp phân cực quỹ đạo”. Phương pháp này có nét tương đồng với các máy chụp cắt lớp vi tính (CT) y tế được thực hiện trong các bệnh viện trên toàn cầu.

“Vùng không gian nhỏ gọn xung quanh trung tâm dải Ngân Hà là môi trường cực đoan, nơi khí nóng bị từ hóa quay quanh một lỗ đen siêu khối lượng với vận tốc tương đối tính [tốc độ tiếp cận tốc độ ánh sáng]. Môi trường độc đáo này tạo ra các vụ phun trào năng lượng cao được gọi là tia sáng, để lại các dấu hiệu quan sát ở bước sóng tia X, hồng ngoại và vô tuyến,” Levis chia sẻ với Space.com. “Gần đây, các nhà lý thuyết đã đề xuất một số cơ chế hình thành của các tia sáng này, một trong số đó là thông qua các vùng cực kỳ sáng và nhỏ gọn đột nhiên hình thành bên trong đĩa bồi tụ.”

Ông nói thêm, kết quả quan trọng của nghiên cứu này là có thể tái hiện cấu trúc 3D của nguồn sáng vô tuyến xung quanh Sgr A * ngay sau khi phát hiện một tia sáng.

Tái hiện lỗ đen chỉ qua 1px hình ảnh

“Sgr A* nằm ngay trung tâm Dải Ngân Hà của chúng ta, biến nó thành lỗ đen siêu khối lượng gần Trái Đất nhất. Điều này khiến Sgr A* trở thành ứng cử viên sáng giá cho nghiên cứu những đợt bùng phát năng lượng như thế này”, Levis phát biểu. “Để nghiên cứu hiệu quả, bạn vẫn cần một chút may mắn, đó là khi những lần quan sát của ALMA trùng hợp với đợt bùng phát.”

Ông giải thích thêm, vào ngày 11 tháng 4 năm 2017, kính thiên văn ALMA đang trực tiếp quan sát Sgr A* ngay sau khi ghi nhận một đợt bùng phát dữ dội trên dải tia X. Dữ liệu sóng radio thu được từ ALMA có tín hiệu định kỳ, phù hợp với dự đoán về một quỹ đạo quanh Sgr A*.

“Điều này thúc đẩy chúng tôi phát triển một phương pháp tính toán để chiết xuất cấu trúc 3D từ dữ liệu chuỗi thời gian mà ALMA đo được”, Levis nói thêm. “Trái ngược với hình ảnh 2D của Sgr A* từ Kính viễn vọng Chân trời Sự kiện (EHT), chúng tôi quan tâm đến việc khôi phục cấu trúc 3D. Để làm được điều đó, chúng tôi dựa vào mô hình vật lý về cách ánh sáng di chuyển dọc theo các quỹ đạo cong trong trường hấp dẫn mạnh quanh một lỗ đen.”

Để đạt được kết quả của mình, các nhà khoa học đã xem xét các tính chất vật lý bắt nguồn từ thuyết tương đối tổng quát năm 1915 của Albert Einstein. Sau đó, họ áp dụng các khái niệm này xung quanh các lỗ đen siêu khối lượng vào một mạng nơ-ron (neural network). Mạng lưới này sau đó được sử dụng để tạo mô hình Sgr A*.

“Công trình này đánh dấu sự hợp tác độc đáo giữa các nhà thiên văn học và các nhà khoa học máy tính. Chúng tôi đã ứng dụng các công cụ tính toán tiên tiến nhất từ cả lĩnh vực AI và vật lý hấp dẫn. Đây là nỗ lực đầu tiên nhằm tiết lộ cấu trúc phát xạ vô tuyến 3D xung quanh Sgr A*,” Levis cho biết. “Kết quả không phải là một bức ảnh theo nghĩa thông thường; chính xác hơn, đó là một hình ảnh 3D được tái tạo từ các quan sát, và được tối ưu bằng mạng nơ-ron dựa theo các tính chất vật lý dự đoán về chuyển động của khí quanh lỗ đen và quá trình bức xạ đồng bộ (synchrotron radiation).”

Hình ảnh lỗ đen siêu khối lượng tại trung tâm Dải Ngân Hà – Sgr A*, nhìn trong ánh sáng phân cực. (Ảnh: EHT Collaboration)

Ông giải thích rằng nhóm đã tiến hành đặt các “nguồn phát sáng” 3D trên quỹ đạo xung quanh Sgr A*, bắt đầu bằng một cấu trúc ngẫu nhiên. Thông qua một kĩ thuật gọi là dò tia (ray tracing) – mô phỏng đồ họa hành vi vật lý của ánh sáng, Levis và các đồng nghiệp đã có thể xây dựng mô hình về cách ALMA sẽ quan sát cấu trúc xung quanh Sgr A* trong tương lai. Các mô hình này mô phỏng 10 phút sau khi bùng phát, sau đó 20 phút, 30 phút – và cứ thế tiếp tục.

“Công nghệ trường bức xạ nơ-ron (neural radiance fields) và dò tia tương đối tính (general relativistic ray tracing) cho phép chúng tôi bắt đầu thay đổi cấu trúc 3D cho đến khi mô hình phù hợp với các quan sát thực tế”, Levis nói thêm.

Nhóm nghiên cứu nhận thấy rằng điều này mang lại những kết luận về môi trường xung quanh Sgr A*. Kết quả cũng phù hợp với các dự đoán từ lý thuyết, cho thấy độ sáng tập trung tại một số vùng nhỏ trong đĩa bồi tụ của lỗ đen. Tuy nhiên, vẫn có những khía cạnh của công trình này khiến Levis và nhóm của ông bất ngờ.

“Điều ngạc nhiên nhất là chúng tôi đã có thể khôi phục cấu trúc 3D từ các quan sát đường cong ánh sáng. Về cơ bản, chúng tôi đã xây dựng một video chỉ từ một điểm ảnh nhấp nháy duy nhất”, nhà nghiên cứu cho biết. “Hãy nghĩ về điều đó: nếu tôi nói với bạn rằng bạn có thể tái tạo một video chỉ từ một điểm ảnh, bạn sẽ nói điều đó nghe như bất khả thi. Nhưng mấu chốt nằm ở chỗ là chúng tôi không khôi phục một đoạn video bất kỳ.

“Chúng tôi đang khôi phục cấu trúc 3D của nguồn phát xạ xung quanh một lỗ đen. Chúng tôi có thể tận dụng các tính chất hấp dẫn và phát xạ đã biết để đưa ra giới hạn cho quá trình tái tạo 3D.”

Levis cho biết thêm, việc ALMA không chỉ đo được cường độ mà còn cả sự phân cực của ánh sáng đã cung cấp cho nhóm của ông một phương tiện hữu ích để nhận diện manh mối về cấu trúc 3D của các đợt bùng phát quanh Sgr A*.

Nhìn về phía trước, Levis cho biết ông và nhóm của mình dự định chạy mô phỏng thêm, đồng thời thay đổi các thông số vật lý.

“Những kết quả này là một bước đi đầu tiên đầy thú vị. Tuy nhiên, kết quả này dựa trên giả định rằng Sgr A* thực sự là một lỗ đen và môi trường của nó tuân theo các mô hình hấp dẫn và phát xạ hiện tại. Độ chính xác của kết quả của chúng tôi phụ thuộc vào tính đúng đắn của các giả định này”, Levis kết luận. “Trong tương lai, chúng tôi muốn nới lỏng các ràng buộc này, cho phép nghiên cứu cả những điều có thể đi lệch khỏi dự đoán vật lý hiện nay.

“Phương pháp của chúng tôi, khai thác sức mạnh tổng hợp giữa vật lý và AI, mở ra cánh cửa cho những câu hỏi mới đầy thú vị. Những câu trả lời này sẽ tiếp tục thúc đẩy hiểu biết của chúng ta về lỗ đen và vũ trụ rộng lớn này. “