Une recherche de plusieurs millions de livres sterling visant à créer les premiers films 3D de trous noirs combinera l’expertise internationale pionnière en imagerie des trous noirs avec l’intelligence artificielle de pointe développée au Royaume-Uni.
Le Dr Kazunori Akiyama a obtenu une bourse Faraday Discovery de 4 millions de livres sterling par la voie accélérée internationale du programme, et sera accueilli par l’Université Heriot-Watt. Le projet, nommé TomoGrav, réunit l’expertise novatrice du Dr Kazunori Akiyama et du professeur Yves Wiaux.
Le Dr Akiyama a développé l’un des algorithmes d’imagerie computationnelle et a co-dirigé l’ensemble de l’équipe d’imagerie dans le cadre des efforts de la collaboration Event Horizon Telescope (EHT) pour créer les premières images de trous noirs. Les algorithmes d’intelligence artificielle révolutionnaires du professeur Yves Wiaux transforment la manière dont les scientifiques reconstruisent des images à partir de données incomplètes.
Le Dr Akiyama et le professeur Wiaux sont soutenus par une équipe multidisciplinaire de 10 partenaires mondialement renommés venant du monde entier, dont l’expertise combinée permettra de mener à bien les travaux.
Le financement permettra au Dr Akiyama de quitter son poste actuel de chercheur scientifique à l’Observatoire Haystack du Massachusetts Institute of Technology (MIT) aux États-Unis pour rejoindre l’Université Heriot-Watt en Écosse, dans le cadre d’un programme qui fournit un financement à long terme aux chercheurs talentueux en milieu de carrière.
En utilisant une technologie d’imagerie révolutionnaire, la recherche devrait transformer la compréhension des environnements les plus extrêmes de l’univers en révélant comment les trous noirs se comportent et évoluent dans le temps.
Les trous noirs sont des laboratoires cosmiques où la gravité résulte comme un sous-produit de la déformation de l’espace-temps. Le gaz qui tourbillonne autour d’eux est chauffé à des températures extrêmes et accéléré à une vitesse proche de celle de la lumière, générant de puissants jets de plasma magnétisé qui sont censés influencer la forme des structures à plus grande échelle de l’univers.
La nouvelle recherche s’appuie sur les photographies de 2019 et 2022 de deux trous noirs supermassifs, M87* et Sagittarius A*, qui ont captivé des milliards de personnes dans le monde et ouvert un tout nouveau domaine scientifique qui utilise l’imagerie pour étudier la gravité et les trous noirs.
Les images révolutionnaires ont capturé les premiers aperçus de cette nouvelle frontière avec des instantanés en 2D en forme de beignet révélant seulement la surface d’une physique bien plus riche qui attend maintenant d’être explorée.
Le projet TomoGrav fournira ce que l’équipe a appelé « la tomographie gravitationnelle dynamique« . Au lieu d’images plates, ils créeront des films 3D montrant comment le plasma s’écoule et évolue autour des trous noirs au fil du temps, révélant comment l’énergie est canalisée et comment l’espace-temps est courbé par la gravité extrême.
En plus de faire avancer la découverte scientifique, la recherche a des applications bien au-delà de l’astronomie. Les mêmes techniques d’IA accéléreront les scans cardiaques et hépatiques de qualité diagnostique, réduisant le temps passé dans les scanners pour les patients et abaissant les coûts de santé. Elles amélioreront également les systèmes de surveillance de la Terre, en améliorant le suivi du niveau de la mer et la compréhension du climat.
La recherche permettra également aux scientifiques de mesurer directement pour la première fois la rotation d’un trou noir. La vitesse à laquelle un trou noir tourne détermine la quantité d’énergie qui peut être extraite de la matière qui y tombe, alimentant les énormes jets qui influencent la formation et l’évolution des galaxies.
L’équipe travaillera avec le projet Black Hole Explorer (BHEX), une nouvelle mission qui vise à découvrir et mesurer l’anneau de photons d’un trou noir, capturant la lumière qui a orbité autour d’un trou noir. BHEX vise également à étendre l’Event Horizon Telescope dans l’espace. Cartographier précisément ces anneaux de photons fournirait les tests les plus rigoureux à ce jour de la théorie de la relativité générale d’Einstein dans les conditions extrêmes immédiatement autour de l’horizon des événements d’un trou noir.
Le travail révélera également le mécanisme derrière la formation des jets. La matière spiralant dans les trous noirs génère des champs magnétiques qui canalisent l’énergie en d’énormes jets s’étendant sur des milliers d’années-lumière. Les scientifiques peuvent observer ces jets mais pas comment ils se forment. Des cartes 3D en accéléré des champs magnétiques et du plasma révéleront ce processus en action pour la première fois.
Le projet aidera à concevoir des systèmes spatiaux capables de résoudre des centaines de trous noirs, révélant comment ils se forment, grandissent et influencent l’évolution cosmique.
Le Dr Akiyama aide actuellement à opérer les projets scientifiques de l’organisation internationale The Event Horizon Telescope Collaboration en tant que scientifique adjoint du projet EHT et a été chercheur scientifique à l’Observatoire Haystack du MIT.
Il a déclaré : « Les premières images des trous noirs ont été des étapes extraordinaires, mais elles n’étaient que des fragments de ce que font ces objets astronomiques. Ce qui m’enthousiasme à l’idée de rejoindre l’Université Heriot-Watt, c’est l’opportunité de travailler avec le professeur Wiaux et son groupe de recherche qui a développé certaines des approches les plus avancées au monde en imagerie computationnelle. Notre collaboration réunit deux communautés d’experts, l’astronomie des trous noirs et l’intelligence artificielle, et c’est à cette interface que des progrès révolutionnaires peuvent maintenant être réalisés. En combinant les capacités de télescopes de premier plan avec les forces de Heriot-Watt en imagerie computationnelle, nous pourrons suivre la dynamique autour des trous noirs d’une manière jamais possible auparavant. Au lieu d’une seule image floue, nous verrons comment le plasma se déplace, comment les champs magnétiques évoluent et comment la gravité façonne tout autour de l’horizon des événements. Ce changement, d’images fixes à une structure résolue dans le temps, changera fondamentalement les questions scientifiques que nous pouvons poser et changera notre compréhension de l’univers. »
Le professeur Yves Wiaux dirige le Laboratoire de traitement des signaux biomédicaux et astronomiques basé à l’École d’ingénierie et des sciences physiques de l’Université Heriot-Watt.
Il a ajouté : « TomoGrav est la rencontre et la synergie des deux communautés scientifiques de la radioastronomie et de l’imagerie computationnelle. Le Dr Akiyama et ses collègues apportent une expertise de premier plan dans les télescopes et les observations qui fourniront des données exquises sur les trous noirs, tandis que nos méthodes en IA et en imagerie computationnelle fournissent les outils nécessaires pour interpréter ces données. Notre collaboration, bâtie sur des forces complémentaires, positionne à la fois Heriot-Watt et le Royaume-Uni pour contribuer de manière significative à un domaine qui est maintenant en train de se former à l’échelle mondiale. Mais les progrès en astronomie soutiennent directement certains des défis les plus urgents de la société. Au-delà des trous noirs, ce projet est motivé par un défi technique partagé. Imager l’univers à partir des données de télescopes et imager le corps humain avec des scanners médicaux nécessitent tous deux de transformer des informations très limitées en images précises et fiables. Les techniques développées pour cartographier le plasma autour des trous noirs peuvent également accélérer les scans IRM ou, en fait, améliorer les mesures de la rotation de la Terre et du niveau de la mer. Cette approche multidisciplinaire est précisément ce sur quoi mon groupe s’est concentré pendant de nombreuses années. »
Le professeur Chris Turney, vice-principal de la recherche et de l’impact à l’Université Heriot-Watt, a indiqué : « Cette collaboration marque un moment important pour la science britannique. L’astronomie des trous noirs est un domaine en développement rapide. Réunir le leadership observationnel unique du Dr Akiyama avec l’expertise de classe mondiale du professeur Wiaux en imagerie IA nous donne la capacité de façonner ce domaine à l’avenir. Le timing est important. De nouvelles campagnes d’observation commencent dans les prochaines années, et les missions spatiales pour les années 2030 sont déjà en développement. Le projet TomoGrav positionne l’Université Heriot-Watt et la communauté de recherche britannique au sens large pour influencer la conception de ces instruments et la compréhension de leurs données. Ce qui est particulièrement puissant, c’est que la même technologie renforcera les capacités en santé et en surveillance de la Terre. Cela illustre l’engagement de Heriot-Watt à résoudre les défis mondiaux par la recherche qui apporte des bénéfices réels à la société. En réunissant des disciplines de recherche et des partenaires au-delà des frontières, nous ne faisons pas qu’avancer la science fondamentale, mais nous créons des solutions pratiques qui amélioreront les vies, des diagnostics médicaux plus rapides à une meilleure surveillance du climat. »
Le déménagement du Dr Akiyama du MIT à l’Université Heriot-Watt suit la nouvelle qu’une autre pionnière de la science des trous noirs, la professeure Sera Markoff, rejoindra l’Université de Cambridge. Ces nouvelles arrivées enrichiront et étendront considérablement la communauté de recherche britannique dans ce domaine, tout en travaillant ensemble sur TomoGrav.
Pour l’Université Heriot-Watt, cela crée une opportunité de jouer un rôle central dans les efforts de recherche mondiaux en fournissant la technologie d’IA et d’imagerie de premier plan nécessaire pour transformer la science des trous noirs.
La bourse Faraday Discovery Fellowship Accelerated International Route de la Royal Society est une prestigieuse récompense à long terme soutenant les chercheurs talentueux en milieu de carrière pour entreprendre des recherches originales. Le programme fournit des subventions pour soutenir le développement de groupes de recherche de premier plan au Royaume-Uni, effectuant des nominations stratégiquement importantes et attirant des chercheurs de premier plan de l’étranger. La voie accélérée internationale par laquelle le Dr Akiyama a obtenu la bourse Faraday Discovery Fellowship fournit une option accélérée pour les chercheurs en milieu de carrière souhaitant s’installer au Royaume-Uni depuis l’étranger, offrant jusqu’à 4 millions de livres sterling sur une période de cinq ans.
D’ici la fin de la bourse de cinq ans, Heriot-Watt aura livré une technologie capable de créer des films 3D haute résolution du plasma autour des trous noirs à partir des données à venir, conçu des configurations optimales pour les futurs télescopes spatiaux et établi une nouvelle communauté de recherche dirigée par le Royaume-Uni à l’interface de l’astrophysique de pointe et de l’intelligence artificielle de pointe.
Le projet réunit une équipe multidisciplinaire de 10 partenaires mondialement renommés dont l’expertise combinée couvre la science des trous noirs, l’apprentissage automatique et les technologies d’imagerie, avec des transferts de technologie prévus au sein et au-delà de l’astronomie.
Source : Herio-Watt U.
