拼出黑洞首图的照片别浪费!加上PCA算法,她让黑洞动了起来

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生成大数据摘要

编辑:吴帅,易玉玉

还记得我小时候做的翻页动画吗?将足够多的图片放在一起,只要你翻转得足够快,就可以将一堆静态棒图变成动画。

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实际上,通过以高频捕获静态图像来实现视频的记录。这部电影实际上是一张高速连续连续的画面,就像我们可以快速翻转一张小画面一样。由于人眼的视网膜具有余像效果,因此当切换屏幕时,前一图像的视觉仍将存在于人脑中。当屏幕高速切换时,可以连接人脑中的图像以在视觉上形成连续的动画效果。

现在,有些人想用相同的方式,用足够的图片来制作属于黑洞的“翻页动画”。

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2019年4月10日,国际视觉望远镜(EHT)国际合作项目的天体物理学家宣布他们首次拍摄了黑洞图像。为了完成这一功能,科学家们动员了从极地到赤道的8个天文台拍照,然后来自世界各地的62个科学机构参与了照片合成。整个项目耗时近三年,可以说它是“全人类的力量”的壮举。

除了黑洞照片本身之外,完成图像所获得的数据对于相关研究可能更为重要。事件视界望远镜每晚产生高达2PB的数据(1PB=1000TB=1000000 GB)。利用这些数据,天文学家可以分析黑洞周围的情况,这些东西存在的状态,并可以拼接出来。黑洞的动态图像。

早在1979年,就有人们对电影和电视作品中黑洞的想象。对于生活在量子和引力交叉点的这个最大和最小的天体,图像可以激发全球的兴趣。关于等离子体周期性波动,增亮和变暗的黑洞电影会产生什么样的骚动?

美国国家科学基金会研究员Lia Medeiros正在使用Event Horizon Telescope,这是一种全球望远镜阵列,为科学家提供捕获第一个黑洞图像所需的数据。我们也可能使用这些数据来制造黑洞。这个电影。

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Lia Medeiros,物理学家,天体物理学家

“你可以把它想象成一个由孩子制作的翻页动画,只是一个非常高科技,有点像科幻的版本。”Medeiros创造了一系列逐渐变化的图像并将它们组合在一起,希望能给我们带来一个近在咫尺的黑洞的运动。

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制作黑洞电影的基本原则与您年轻时播放的“翻页动画”相同。

事实上,在黑洞之前,Medeiros参与了一个巨大的椭圆星系Messier 87(或M87)的第一个黑洞图像的生成。这个巨大的黑洞比太阳大60亿倍,在事件视界内部甚至在它附近施加了很大的引力。无论如何都能逃脱。

*译者注:事件视界,也称为事件边界,英文名称Event Horizon,是一个时空边界。地平线上的任何事件都不会影响地平线以外的观察者。黑洞周围是事件视界。在非常大的引力作用下,黑洞附近的逃逸速度大于光速,使得任何光都不可能从事件视界中逃逸出来。 (来源:维基百科)

但现在,这位科学家正专注于我们银河系中心的超大质量黑洞 - 射手座A *(也称为Sgr A *)。距地球约26,000光年,一个约为太阳直径18倍的黑洞有一个半径约为790万英里的黑洞。数百名科学家在整个职业生涯中都在研究它。现在我们可以做到。它与电影类似。此外,射手座A *可能对科学家期待的引力理论测试至关重要。

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Lia Medeiros个人网站:

http://www.liamedeiros.com/

由于M87比观察到的其他黑洞大得多,因此图像变换的时间尺度要长得多,因此科学家们在12小时内没有观察到数据或图像的太多变化。 Sgr A *是另一种情况。在12小时的跨度中,科学家观察到照明区域的亮度和形状波动,因为围绕黑洞旋转的等离子体也在旋转。

Medeiros说:“Sgr A *图像的变化速度快于我们收集足够数据以重建图像所需的速度。”

“这个时间序列图像非常令人兴奋,因为它有助于我们了解Sgr A *的原因以及许多其他黑洞变化,”Medeiros说。 “我们观察到Sgr A *明显发光。但我们仍然没有。了解其发光的原因。通过研究黑洞图像在整个观察过程中如何随时间变化,我们希望知道是什么原因导致这些发光现象。“

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陈智群,亚利桑那大学和斯图尔特天文台助理天文学家

亚利桑那大学天文学院和斯图尔特天文台的天文学家Chi-Kwan Chan说,许多科学家都渴望了解黑洞的光明和黑暗变化,他希望动态电影可以帮助他们做到这一点。

“由等离子体形成的黑洞吸积盘变化很大,所以静态图像不能让我们完全理解它,”他说。 “获取电影可以帮助我们更好地了解正在发生的事情。”

黑洞电影可以帮助科学家更好地理解黑洞本身。

Medeiros的工作实际上可以帮助科学家更好地了解宇宙的运作。它甚至可以改变我们对引力的思考方式。我们可能不得不通过研究这些引力怪物的时间序列图像来重新思考我们在小学中学到的关于引力的一切。

黑洞可以说是我们所知的20世纪物理学的杰出成就之一 - 爱因斯坦相对论的完美测试平台。科学家基本上将爱因斯坦的广义相对论与宇宙中最强大的引力进行了比较。广义相对论告诉我们我们所知道的,或者我们对引力的了解。如果在事件视界中没有完全建立广义相对论,那么可能需要重新考虑这一理论。

Her work can also tell us more about how quantum mechanics interacts with gravitational theory. For those good physicists, quantum mechanics is still quite mysterious.

Quantum rules the seemingly unpredictable subatomic world, while general relativity is thought to explain the gravitational pull of large black holes. They are all great theories, and so far they have passed every experiment that scientists have conducted on them. However, when they are considered together, they are not always effective. Scientists need to test these theories under more extreme conditions. Therefore, black holes are considered to be the perfect inspection platform.

Shooting a black hole movie may change the rules of science, because black holes are the only objects in the universe that scientists need to explain with two theories. Simply put, black holes live at the intersection of quantum and gravity. Black hole movies can provide scientists with the information they need to see if they are as active as we would like, helping scientists understand the complex intersection of these two scientific theories.

"We haven't been able to think about relativity and quantum mechanics together," Medeiros said. "Black holes are one of the few things in the universe that require two theories to explain. Because it's very, very large, it's very, very small, At the extreme of these two theories. If we see something unexpected, it may be because at least one of the two theories collapsed. It is not that Newton or Einstein is wrong, just because these equations are simplified. These theories may not work when extreme situations are encountered. The equations may not be complete."

Medeiros added, “If we see something unexpected, it may change everything. If we find something that is not in line with our expectations, then this is undoubtedly an exciting opportunity, one can better Explain the opportunity of this universe."

xx对于Medeiros来说,制作第一部黑洞电影是令人兴奋的,但并不像这些科学问题的答案那样令人兴奋。那么,如果Sgr A *离地球26,000光年,Medeiros将如何制作一部关于它的电影呢?

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山上的亚毫米波望远镜亚利桑那州格雷厄姆

为了整理第一部电影或时间序列图像,她使用了用于创建原始黑洞图像的事件视界望远镜阵列收集的大量数据。该阵列不捕获黑洞的实际图像。它捕获从黑洞的圆形轮廓发出的无线电波的原始数据,这是一些节拍。

Medeiros正在使用EI Gato(Extremely LarGe Advanced TechnOlogy)计算机集群,这是一个由美国国家科学基金会和亚利桑那大学共同资助的高性能系统。使用Nvidia K20X GPU和Intel Xeon Phi 5110p协处理器等特制硬件,系统可以处理大量数据并将其数学转换为图像。

“我们正在进行模拟,然后我们将这个模拟数据用作算法的训练集,以便我们可以生成一系列时间序列图像,”她解释说。 “电影是一系列时间序列图像。我们希望看到黑洞图像如何随时间变化。”

The problem here is that the data she got is not complete and there are many missing parts. Medeiros needs to fill in the missing data to create a complete image. What she needs is an intelligent algorithm that trains the dataset and simulation data into it, enabling it to fill in missing data and help her generate time-series images.

Medeiros intends to write an algorithm based on Principal Component Analysis (PCA). Principal component analysis is a method of analyzing or representing complex data. It can transform a collection containing a large number of variables into a collection containing only a few variables, but still contains most of the information in a large collection. It can also be said that many of the machine-based application-based linear operationsprincipal component analysisare the main components that down-convert data to raw data. As one of the data analysis and prediction tools, principal component analysis is often used in genetics and finance.

For her black hole film creation, Medeiros is embedding Principal Component Analysis in her algorithm to make it an intelligent algorithm that can be learned through the data she adds.

“My idea is to apply this algorithm to the training set to generate 10 to 20 images,” she explains. "I can use the training set to identify images that will be used to build black holes. With these basic components, I can use the algorithm to generate an image with missing values filled in."

To generate the first black hole image, scientists need to provide 12 hours of telescope observations for their algorithms, which do not use machine learning. With machine learning, Medeiros can generate time series images with the same amount of data.

The mathematical principle behind the algorithm of Medeiros, which brought the first black hole movie to the world, was only a few lines of code.

xx“如果我不使用主成分分析,我不知道该怎么做,”她说。 “如果没有这样的算法,我可能不会尝试制作这样的电影。”

对于研究人员来说,她的工作是结合好奇心,热爱数学,科学以及对宇宙中巨大而微小部分的理解。 “作为人类,我们是漂浮在太空中的一个小点之上的小点。我们提出了数学语言来帮助我们更好地理解我们所生活的宇宙。”

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https://www.hpe.com/us/en/insights/articles/next-step-in-black-hole-science-making-a-movie-1907.html