Inferring Black Hole Physics through Image and Video Reconstructions with the Event Horizon Telescope

Abstract

This thesis focuses on inferring black hole physics through the development and application of advanced image and video reconstruction techniques using data from the Event Horizon Telescope (EHT). The EHT, a global Very Long Baseline Interferometry (VLBI) array, achieves unprecedented angular resolution by operating at millimeter wavelengths (primarily 1.3 mm and 0.87 mm), enabling the horizonscale study of supermassive black holes (SMBHs) like M87* in the galaxy M87 and Sagittarius A* (Sgr A*) at the center of our Milky Way. The research presented herein aims to extract quantitative astrophysical information from EHT observations, test predictions of General Relativity (GR) in the strong-gravity regime, and provide insights into the complex plasma dynamics governing accretion near these extreme objects. A core component of this research involved imaging the April 2018 EHT observations of M87* utilizing the Bayesian interferometric modeling framework Comrade. These analyses confirmed the persistence of the iconic asymmetric ring-like emission structure, consistent with theoretical expectations of the shadow cast by a Kerr black hole of approximately 6.5 × 109 solar masses (M⊙ ). The measured ring diameter of ∼ 43.3+1.5 −3.1 μas was found to be remarkably consistent with the 2017 EHT results, showing the stability of this gravitational feature. Moreover, a significant counter-clockwise shift in the position angle of the ring’s brightness asymmetry by approximately 30◦ was observed between the 2017 and 2018 epochs. This evolution is attributed to the turbulent dynamics within the accretion flow, a phenomenon seen in General Relativistic Magnetohydrodynamics (GRMHD) simulations. The robust uncertainty quantification provided by the Bayesian approach was crucial in assessing these features and investigating the challenges in constraining parameters like the compact flux density of M87*. Further investigation into the M87* images focused on quantitatively characterizing and understanding the origin of the observed ring ellipticity. Leveraging the enhanced (u, v)-coverage of the EHT 2018 array, which included the Greenland Telescope (GLT) for improved North-South baseline sampling, a consistent ellipticity (τ = 0.08+0.03 −0.02) and major axis position angle (ξ = 50.1+6.2 −7.6 degrees East of North) were measured across five independent imaging and modeling methods. To interpret this measured ellipticity, an extensive comparison was performed against a large library of GRMHD simulations, spanning a wide range of physical parameters such as black hole spin, electron distribution functions (thermal and non-thermal), magnetic field configurations (Magnetically Arrested Disk – MAD, and Standard and Normal Evolution – SANE), and ion-to-electron temperature ratios. This analysis revealed no statistically significant correlation between the black hole spin and the observed image ellipticity. Instead, the ellipticity was found to correlate with the fraction of non-ring emission, particularly in non-thermal models and those exhibiting higher jet emission. These results compellingly suggest that the ellipticity measured in the current EHT images of M87* is predominantly governed by astrophysical effects within the turbulent accretion flow and jet base, rather than being a direct manifestation of the gravitational lensing of an intrinsically elliptical photon ring due to black hole spin. Isolating purely gravitational contributions to ellipticity will necessitate future observations with enhanced capabilities or different observational strategies. The next frontier in black hole physics is to obtain the first event-horizon-scale videos, particularly of rapidly variable sources like Sgr A*. Addressing the distinct challenges posed by imaging such dynamic SMBHs, this thesis introduces ehteval, a rigorous and systematic software framework developed for the validation and evaluation of horizon-scale video reconstructions. The development of ehteval is particularly relevant now as the EHT collaboration works towards producing these first videos, making robust validation tools essential. This framework utilizes realistic synthetic EHT datasets generated from a comprehensive library of ground truth models, including static geometric models, dynamic geometric models with diverse kinematic and polarimetric properties, and GRMHD simulations. A comprehensive suite of evaluation metrics was developed and validated to quantitatively assess reconstruction fidelity across multiple domains. These metrics probe the goodnessof- fit to interferometric data products (e.g., closure phases, log-closure amplitudes, complex fractional polarization), the morphological accuracy of total intensity and linear polarization structures in both static (time-averaged) and dynamic (timevariable) components, using normalized cross-correlations; and the ability to recover specific dynamical features such as hotspot parameters (size, position, flux) and rotational pattern speeds. The ehteval framework is foundational for interpreting the first EHT video reconstructions of Sgr A*, and ensuring the robustness of scientific conclusions drawn from these complex datasets. Collectively, this thesis bridges the gap between raw interferometric observables and interpretable physical quantities by combining rigorous image modeling with feature extraction and simulation comparison. These tools offer a principled foundation for interpreting horizon-scale observations of black holes and provide the groundwork for exploiting future expansions of the EHT, including Space VLBI missions capable of resolving fine structures such as photon subrings. By enabling reliable characterization of dynamic and polarized features in black hole environments, this work not only strengthens our ability to constrain accretion physics and spacetime geometry but also contributes to the development of next-generation techniques in computational astrophysics.

Esta tesis se centra en inferir la física de los agujeros negros mediante el desarrollo y la aplicación de técnicas avanzadas de reconstrucción de imágenes y vídeos utilizando datos del Telescopio del Horizonte de Sucesos (EHT). El EHT, una red global de Interferometría de Muy Larga Base (VLBI), alcanza una resolución angular sin precedentes al operar en longitudes de onda milimétricas (principalmente 1.3 mm y 0.87 mm), lo que permite el estudio a escala del horizonte de sucesos de agujeros negros supermasivos (SMBH) como M87* en la galaxia M87 y Sagitario A* (Sgr A*) en el centro de nuestra Vía Láctea. La investigación aquí presentada tiene como objetivo extraer información astrofísica cuantitativa de las observaciones del EHT, probar las predicciones de la Relatividad General (RG) en el régimen de gravedad fuerte y proporcionar información sobre la compleja dinámica del plasma que gobierna la acreción cerca de estos objetos extremos. Un componente central de esta investigación implicó la obtención de imágenes de las observaciones de M87* del EHT de abril de 2018 utilizando el marco bayesiano de modelado interferométrico Comrade. Estos análisis confirmaron la persistencia de la icónica estructura de emisión en forma de anillo asimétrico, consistente con las expectativas teóricas de la sombra proyectada por un agujero negro de Kerr de aproximadamente 6.5×109 masas solares (M⊙). Se encontró que el diámetro medido del anillo de ∼ 43.3+1.5 −3.1 μas era notablemente consistente con los resultados del EHT de 2017, lo que subraya la estabilidad de esta característica gravitacional. Además, se observó un desplazamiento significativo en sentido antihorario en el ángulo de posición de la asimetría de brillo del anillo de aproximadamente 30◦ entre las épocas de 2017 y 2018. Esta evolución se atribuye a la dinámica turbulenta dentro del flujo de acreción, un fenómeno observado en las simulaciones Magnetohidrodinámica Relativista General (GRMHD).La cuantificación robusta de incertidumbre del enfoque bayesiano fue clave para evaluar estas características y explorar los retos al restringir parámetros como la densidad de flujo compacto de M87*. Una investigación adicional de las imágenes de M87* se centró en caracterizar cuantitativamente y comprender el origen de la elipticidad observada del anillo. Aprovechando la mejorada cobertura (u, v) de la red EHT 2018, que incluyó el Telescopio de Groenlandia (GLT) para un mejor muestreo de las líneas de base Norte-Sur, se midió una elipticidad consistente (τ = 0.08+0.03 −0.02) y un ángulo de posición del eje mayor (ξ = 50.1+6.2 −7.6 grados al Este del Norte) a través de cinco métodos independientes de obtención de imágenes y modelado. Para interpretar esta elipticidad medida, se realizó una comparación exhaustiva con una gran biblioteca de simulaciones GRMHD, que abarca una amplia gama de parámetros físicos como el espín del agujero negro, las funciones de distribución de electrones (térmicas y no térmicas), las configuraciones del campo magnético (Disco Magnéticamente Detenido – MAD, y Evolución Estándar y Normal – SANE), y las relaciones de temperatura ion-electrón. Este análisis no reveló ninguna correlación estadísticamente significativa entre el espín del agujero negro y la elipticidad observada de la imagen. En cambio, se encontró que la elipticidad se correlaciona con la fracción de emisión no anular, particularmente en modelos no térmicos y aquellos que exhiben una mayor emisión de jet. Estos resultados sugieren de manera convincente que la elipticidad medida en las imágenes actuales del EHT de M87* está predominantemente gobernada por efectos astrofísicos dentro del flujo de acreción turbulento y la base del jet, en lugar de ser una manifestación directa de la lente gravitacional de un anillo de fotones intrínsecamente elíptico debido al espín del agujero negro. Aislar las contribuciones puramente gravitacionales a la elipticidad requerirá futuras observaciones con capacidades mejoradas o diferentes estrategias de observación. La próxima frontera en la física de los agujeros negros es obtener los primeros vídeos a escala del horizonte de sucesos, particularmente de fuentes rápidamente variables como Sgr A*. Abordando los distintos desafíos que plantea la obtención de imágenes de tales SMBH dinámicos, esta tesis presenta ehteval, un marco de software riguroso y sistemático desarrollado para la validación y evaluación de reconstrucciones de vídeo a escala del horizonte. El desarrollo de ehteval es particularmente relevante ahora que la colaboración EHT trabaja para producir estos primeros vídeos, lo que hace esenciales herramientas de validación robustas. Este marco utiliza conjuntos de datos sintéticos realistas del EHT generados a partir de una biblioteca completa de modelos de "ground truth", incluidos modelos geométricos estáticos, modelos geométricos dinámicos con diversas propiedades cinemáticas y polarimétricas, y simulaciones GRMHD. Se desarrolló y validó un conjunto completo de métricas de evaluación para evaluar cuantitativamente la fidelidad de la reconstrucción en múltiples dominios. Estas métricas sondean la bondad del ajuste a los productos de datos interferométricos (p. ej., fases de cierre, log-amplitudes de cierre, polarización fraccional compleja), la precisión morfológica de las estructuras de intensidad total y polarización lineal en componentes tanto estáticos (promediados en el tiempo) como dinámicos (variables en el tiempo), utilizando correlaciones cruzadas normalizadas; y la capacidad de recuperar características dinámicas específicas como los parámetros de los puntos calientes (tamaño, posición, flujo) y las velocidades del patrón de rotación. El marco ehteval es fundamental para interpretar las primeras reconstrucciones de vídeo del EHT de Sgr A* y garantizar la solidez de las conclusiones científicas extraídas de estos complejos conjuntos de datos. Colectivamente, esta tesis cierra la brecha entre las observables interferométricas crudas y las cantidades físicas interpretables al combinar un modelado riguroso de imágenes con la extracción de características y la comparación de simulaciones. Estas herramientas ofrecen una base de principios para interpretar las observaciones a escala del horizonte de los agujeros negros y sientan las bases para explotar futuras expansiones del EHT, incluidas las misiones espaciales VLBI capaces de resolver estructuras finas como los subanillos de fotones. Al permitir una caracterización fiable de las características dinámicas y polarizadas en los entornos de los agujeros negros, este trabajo no solo fortalece nuestra capacidad para restringir la física de la acreción y la geometría del espaciotiempo, sino que también contribuye al desarrollo de técnicas de próxima generación en astrofísica computacional.