Как это работает: Методом проб и ошибок машинное обучение проверяет множество различных пар смоделированных галактик и черных дыр, созданных по разным правилам, а затем выбирает пару, которая лучше всего соответствует реальным астрономическим наблюдениям.
Какими бы разными они ни казались, черные дыры и Лас-Вегас имеют одну общую черту: то, что там происходит, остается там — к большому разочарованию астрофизиков, пытающихся понять, как, когда и почему черные дыры образуются и растут. Черные дыры окружены таинственным невидимым слоем — горизонтом событий, из которого ничто не может вырваться, будь то материя, свет или информация. Горизонт событий поглощает все доказательства прошлого черной дыры.
«Из-за этих физических фактов считалось невозможным измерить, как образуются черные дыры», — сказал Питер Бехрузи , доцент Аризонской обсерватории Стюарда и исследователь проекта в Национальной астрономической обсерватории Японии.
Вместе с Хаовеном Чжаном , докторантом Steward, Бехрузи возглавил международную команду, которая использовала машинное обучение и суперкомпьютеры для реконструкции истории роста черных дыр, эффективно отодвигая их горизонты событий, чтобы выявить то, что находится за их пределами.
Моделирование миллионов компьютерных «вселенных» показало, что сверхмассивные черные дыры растут синхронно с принимающими их галактиками. Это подозревали в течение 20 лет, но ученые не могли подтвердить эту связь до сих пор.
«Если вы вернетесь к более ранним и более ранним временам во Вселенной, вы обнаружите, что существовали точно такие же отношения», — сказал Бехрузи, соавтор статьи. «Итак, по мере того, как галактика растет от маленькой к большой, ее черная дыра тоже растет от маленькой к большой, точно так же, как мы наблюдаем сегодня в галактиках по всей Вселенной».
Считается, что большинство, если не все галактики, разбросанные по всему космосу, содержат в своем центре сверхмассивную черную дыру. Масса этих черных дыр более чем в 100 000 раз превышает массу Солнца, а некоторые могут похвастаться миллионами и даже миллиардами солнечных масс. Один из самых неприятных вопросов астрофизиков заключался в том, как эти гиганты растут с такой скоростью и как они вообще формируются.
Чтобы найти ответы, Чжан, Бехрузи и их коллеги создали Trinity, платформу, использующую новую форму машинного обучения, способную генерировать миллионы различных вселенных на суперкомпьютере, каждая из которых подчиняется различным физическим теориям формирования галактик. Исследователи создали структуру, в которой компьютеры предлагают новые правила роста сверхмассивных черных дыр с течением времени. Затем они использовали эти правила для моделирования роста миллиардов черных дыр в виртуальной вселенной и «наблюдали» виртуальную вселенную, чтобы проверить, согласуется ли она с десятилетиями реальных наблюдений за черными дырами в реальной вселенной. После миллионов предложенных и отвергнутых наборов правил компьютеры остановились на правилах, которые лучше всего описывали существующие наблюдения.
«Мы пытаемся понять правила формирования галактик», — сказал Бехрузи. «Короче говоря, мы заставляем Тринити угадать, какими могут быть физические законы, и отправляем их в смоделированную вселенную и смотрим, какой получится эта вселенная. Похожа ли она на настоящую или нет?»
По словам исследователей, этот подход одинаково хорошо работает для всего остального внутри Вселенной, а не только для галактик.
Название проекта «Тринити» связано с тремя основными областями его изучения: галактиками, их сверхмассивными черными дырами и их ореолами темной материи — обширными коконами темной материи, которые невидимы для прямых измерений, но существование которых необходимо для объяснения физических характеристик. галактик повсюду. В предыдущих исследованиях исследователи использовали более раннюю версию своей структуры под названием UniverseMachine для моделирования миллионов галактик и их ореолов темной материи. Команда обнаружила, что галактики, растущие в своих ореолах темной материи, следуют очень специфическому соотношению между массой ореола и массой галактики.
«В нашей новой работе мы добавили к этим отношениям черные дыры, — сказал Бехрузи, — а затем спросили, как черные дыры могут расти в этих галактиках, чтобы воспроизвести все наблюдения, которые люди сделали о них».
«У нас есть очень хорошие наблюдения за массами черных дыр», — сказал Чжан, ведущий автор статьи. «Однако они в значительной степени ограничены локальной вселенной. По мере того, как вы смотрите дальше, становится все труднее, а в конечном итоге и невозможно точно измерить взаимосвязь между массами черных дыр и их галактик-хозяев. Из-за этой неопределенности наблюдения могут не говорит нам напрямую, сохраняется ли эта связь во всей вселенной».
Trinity позволяет астрофизикам обойти не только это ограничение, но и информационный барьер горизонта событий для отдельных черных дыр, объединяя информацию от миллионов наблюдаемых черных дыр на разных стадиях их роста. Несмотря на то, что история каждой отдельной черной дыры не может быть реконструирована, исследователи смогли измерить среднюю историю роста всех черных дыр вместе взятых.
«Если вы поместите черные дыры в смоделированные галактики и введете правила их роста, вы сможете сравнить получившуюся Вселенную со всеми имеющимися у нас наблюдениями реальных черных дыр», — сказал Чжан. «Тогда мы сможем реконструировать, как выглядели любая черная дыра и галактика во Вселенной с сегодняшнего дня до самого начала космоса».
Моделирование пролило свет на еще одно загадочное явление: сверхмассивные черные дыры, подобные той, что находится в центре Млечного Пути , наиболее интенсивно росли в младенчестве, когда Вселенной было всего несколько миллиардов лет, а затем резко замедлились во время последующее время, за последние 10 миллиардов лет или около того.
«Мы уже давно знаем, что галактики ведут себя странно, когда они достигают пика скорости образования новых звезд, затем она со временем уменьшается, а затем, позже, они вообще перестают формировать звезды», — сказал Бехрузи. «Теперь мы смогли показать, что черные дыры делают то же самое: растут и закрываются в то же время, что и их родительские галактики. Это подтверждает многолетнюю гипотезу о росте черных дыр в галактиках».
Однако результат вызывает больше вопросов, добавил он. Черные дыры намного меньше галактик, в которых они живут. Если бы Млечный Путь был уменьшен до размеров Земли, его сверхмассивная черная дыра была бы размером с точку в конце этого предложения.
Чтобы масса черной дыры удвоилась за то же время, что и большая галактика, требуется синхронизация газовых потоков в совершенно разных масштабах. Как черные дыры вступают в сговор с галактиками для достижения этого баланса, еще предстоит понять.
«Я думаю, что действительно оригинальной особенностью Trinity является то, что она дает нам способ выяснить, какие связи между черными дырами и галактиками согласуются с широким спектром различных наборов данных и методов наблюдения», — сказал Чжан. «Алгоритм позволяет нам выбрать именно те отношения между ореолами темной материи, галактиками и черными дырами, которые способны воспроизвести все сделанные наблюдения. Он в основном говорит нам: «Хорошо, учитывая все эти данные, мы знаем связь». между галактиками и черными дырами должны выглядеть так, а не так». И этот подход чрезвычайно силен».
