位於M87中心的超大質量黑洞的標誌性圖像–有時被稱為”模糊的橙色甜甜圈”–在機器學習的幫助下得到了它的第一次正式改造。新的圖像進一步暴露了一個更大、更暗的中心區域，該區域被明亮的吸積氣體包圍，形狀像一個”瘦小的甜甜圈”。該團隊使用了事件地平線望遠鏡（EHT）合作在2017年獲得的數據，首次實現了陣列的全部分辨率。

2017年，EHT合作使用了一個由世界各地七個預先存在的望遠鏡組成的網絡來收集M87的數據，創造了一個”地球大小的望遠鏡”。然而，由於用望遠鏡覆蓋地球的整個表面是不可行的，所以數據中出現了缺口，就像拼圖中缺少的碎片。

M87超大質量黑洞最初由EHT合作在2019年成像（左）；以及PRIMO算法使用相同數據集生成的新圖像（右）。資料來源：Medeiros等人，2023年

“通過我們的新機器學習技術，PRIMO，我們能夠實現當前陣列的最大分辨率，”高級研究所的主要作者Lia Medeiros說。”由於我們不能近距離研究黑洞，圖像的細節對我們理解其行為的能力起著關鍵作用。現在圖像中的環的寬度小了大約2倍，這對我們的理論模型和引力測試將是一個強大的約束。”

PRIMO是主成分乾涉測量模型的縮寫，由EHT成員Lia Medeiros（高級研究所）、Dimitrios Psaltis（喬治亞理工大學）、Tod Lauer（NOIRLab）和Feryal Özel（喬治亞理工大學）開發。他們的出版物《用PRIMO重建的M87黑洞圖像》今天（4月13日）發表在《天體物理學雜誌通訊》上。

Lauer說：”PRIMO是解決從EHT觀測中構建圖像這一困難任務的一種新方法。它提供了一種補償被觀測物體信息缺失的方法，這對於生成使用一個地球大小的單一巨型射電望遠鏡所看到的圖像是必需的。”

動畫展示了從EHT合作在2019年首次產生的M87黑洞圖像，淡化到PRIMO算法使用相同數據集產生的新圖像。資料來源：Medeiros等人，2023年

PRIMO依賴於字典學習，這是機器學習的一個分支，使計算機能夠根據大量的訓練材料集產生規則。例如，如果給計算機提供一系列不同的香蕉圖像–經過充分的訓練–它可能能夠確定一個未知的圖像是或不是香蕉。除了這個簡單的案例，機器學習的多功能性已經在許多方面得到了證明：從創造文藝復興風格的藝術作品到完成貝多芬的未完成作品。那麼，機器可能如何幫助科學家渲染黑洞圖像？研究小組已經回答了這個問題。

通過PRIMO，計算機分析了超過3萬個黑洞吸積氣體的高保真模擬圖像。模擬的集合涵蓋了黑洞如何吸積物質的廣泛模型，尋找圖像結構中的共同模式。各種結構模式按照它們在模擬中出現的頻率進行排序，然後進行混合，以提供EHT觀測結果的高度精確表示，同時提供圖像缺失結構的高保真度估計。2023年2月3日，一篇與該算法本身有關的論文發表在《天體物理學雜誌》上。

“我們正在使用物理學來填補數據缺失的區域，這是以前從未使用機器學習的方式，”Medeiros補充說。”這可能會對乾涉測量法產生重要影響，干涉測量法在從外行星到醫學等領域發揮著作用。”

研究小組證實，新渲染的圖像與EHT數據和理論預期一致，包括預計由落入黑洞的熱氣體產生的明亮發射環。生成圖像需要假設缺失信息的適當形式，而PRIMO通過在2019年發現M87黑洞的大體細節看起來像預測的那樣來做到這一點。

“在2019年EHT公佈了第一張黑洞的地平線規模的圖像後約四年，我們已經標誌著另一個里程碑，第一次產生了一個利用陣列的全部分辨率的圖像，”Psaltis說。”我們開發的新機器學習技術為我們理解黑洞物理的集體工作提供了一個機會。”

新的圖像帶來了對M87黑洞的質量和決定其目前外觀的物理參數的更精確的確定。該數據還為研究人員提供了一個機會，可以對事件視界的替代方案進行更多的約束（基於更暗的中心亮度凹陷），並對引力進行更有力的測試（基於更窄的環形尺寸）。PRIMO還可以應用於其他的EHT觀測，包括我們銀河系的中心黑洞Sgr A*的觀測。

M87是一個巨大的、相對較近的、位於處女座星系團中的星系。一個多世紀前，人們觀察到一股神秘的熱等離子體噴流從其中心噴出。從20世紀50年代開始，當時的射電天文學新技術顯示，該星系的中心有一個緊湊的明亮射電源。在20世紀60年代，M87被懷疑在它的中心有一個巨大的黑洞為這種活動提供動力。從20世紀70年代開始的地面望遠鏡的測量，以及後來從20世紀90年代開始的哈勃太空望遠鏡的測量，為M87確實藏有一個黑洞提供了強有力的支持，根據對圍繞其中心的恆星和氣體的高速度的觀測，黑洞的重量是太陽的幾十億倍。2017年對M87的EHT觀測是在幾天內從幾個不同的射電望遠鏡同時連接起來獲得的，以獲得盡可能高的分辨率。現在具有代表性的M87黑洞的”橙色甜甜圈”圖片在2019年發布，反映了從這些觀測中產生圖像的首次嘗試。

“2019年的圖片只是一個開始，”梅德羅斯表示。”如果說一張圖片勝過千言萬語，那麼該圖片背後的數據還有很多故事要講。PRIMO將繼續成為提取這種洞察力的重要工具。”