Машинное обучение помогло астрономам разобраться в тонкостях эволюции чёрных дыр
Поскольку всё, что попадает внутрь горизонта событий чёрной дыры, остаётся внутри, астрономам очень сложно изучать процесс и особенности роста чёрных дыр. Адъюнкт-профессор Петер Берузи и аспирант Хаовень Чен из обсерватории Стюарда в Аризонском университете сформировали команду исследователей и применили машинное обучение для реконструкции истории роста чёрных дыр.
Запустив симуляцию миллионов вариантов вселенных на компьютере, учёные получили, что сверхмассивные чёрные дыры, существующие в центре почти любой галактики, должны расти согласованно вместе со своей галактикой. Эти расчёты подтвердили теории астрономов на этот счёт, существующие в последние 20 лет. Результаты работы опубликованы в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
По словам Берузи, если заглядывать всё дальше в прошлое, то та же самая закономерность будет наблюдаться повсеместно. Если галактика увеличивается в размерах, то растёт и её центральная сверхмассивная чёрная дыра. Это работает для всех галактик, изученных на сегодня.
Сверхмассивные чёрные дыры, существующие в центрах почти всех галактик, могут иметь массу от 100 000 до нескольких миллиардов солнечных масс. Одна из загадок астрономии связана с тем, как такие чёрные дыры формируются и как они меняются со временем.
В поисках ответов учёные создали платформу «Trinity», использующую вариант машинного обучения, в котором программа генерирует миллионы различных вселенных на суперкомпьютере. «Троицей» проект назвали из-за триединства галактик, их сверхмассивных чёрных дыр и гало из тёмной материи.
Каждая из виртуальных вселенных подчиняется различным физическим теориям формирования галактик. В созданном учёными фреймворке компьютер испытывает всё новые правила роста сверхмассивных черных дыр. Затем учёные использовали эти правила для моделирования роста миллиардов черных дыр в виртуальных вселенных и проверяли, согласуются ли их вычисления данными, полученными за десятилетия реальных наблюдений за черными дырами в реальной Вселенной. После миллионов предложенных и отвергнутых наборов правил исследователи остановились на правилах, лучше всего описывающих существующие наблюдения.
В результате расчёты хорошо совпали с наблюдениями реальных галактик, хотя чем дальше, тем сложнее точно измерить массу центральных чёрных дыр и галактик, в которых они находятся. Кроме того, расчёты показали неожиданный результат — сверхмассивные чёрные дыры сначала (примерно в первую треть от общего возраста Вселенной) растут очень быстро, а потом их рост значительно замедляется.
Точно так же ведут себя обычно галактики — достигают пика в скорости формирования новых звёзд, а затем этот процесс затухает и в конце концов новые звёзды вообще перестают появляться. Каким именно образом процесс роста чёрных дыр синхронизируется с процессом звёздообразования, происходящем совсем на других масштабах и завязанным на потоки межзвёздного газа и пыли, пока остаётся непонятным.
