29.03.2024
Подписывайтесь на Telegram-канал по ссылке

Искусственный интеллект помог учёным понять процессы роста чёрных дыр

TRINITY I self-consistently modelling

Современной астрономической наукой признано, что в центрах большинства галактик существуют сверхмассивные чёрные дыры, которые называются галактическими ядрами. Однако изучить историю их образования и роста до последнего времени было практически невозможно. Ведь всё, что происходит внутри чёрной дыры, скрыто за горизонтом событий, невидимым и таинственным слоем, созданным мощной гравитацией этого объекта. Гравитация настолько сильна, что поглощает любую материю, свет или информацию, скрывая все свидетельства о истории развития чёрной дыры.

Учёные Аризонского университета запустили масштабный научный проект, в основе которого лежит машинное обучение суперкомпьютеров лаборатории, которое позволило реконструировать процессы роста чёрных дыр и заглянуть за горизонт событий. Смоделировав в нейросети миллионы различных вариантов «вселенных», учёные определили, что сверхмассивные чёрные дыры растут синхронно со своими галактиками. Эта теория существовала уже около 20 лет, но подтвердить её фактическими расчётами смогли только сейчас. Результаты этих исследований были опубликованы в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

«Если проследить историю развития Вселенной, можно увидеть, что эта взаимосвязь существовала всегда», — говорит профессор Питер Бехрузи. «Растёт галактика, растёт и её галактическое ядро, представленное сверхмассивной чёрной дырой. Данная зависимость сохраняется для всех звёздных скоплений».

Чёрные дыры в центрах галактик обладают огромной массой и могут иметь от ста тысяч до сотен миллиардов солнечных масс. И один из самых важных вопросов в астрофизике: как эти гиганты вообще образуются и вырастают до таких размеров. Для решения этих вопросов и была создана Trinity — программа, использующая искусственный интеллект и машинное обучение для генерации миллионов вариантов вселенных, развитие которых идёт по своим физическим законам.

В каждой «виртуальной» вселенной образование и рост сверхмассивных чёрных дыр протекали по уникальным, только им присущим правилам. Далее учёные сравнивали эти процессы с данными физических наблюдений за нашей Вселенной, которые идут уже многие десятилетия. В результате Тринити оставляла варианты, которые лучше всего соответствовали реальным данным.

Стоит отметить, что название Тринити (от англ. Троица) было взято неслучайно. Ведь этот проект охватывает три основные области исследования: сами галактики, сверхмассивные чёрные дыры и гало тёмной материи — обширные области вселенной, окутывающие галактики как кокон. Эти сферы невидимы для измерений, но их существование нужно для объяснения физических характеристик развития галактик.

В предыдущих исследованиях использовалась ранняя версия платформы под названием UniverseMachine. Она анализировала соотношение роста размеров только двух составляющих: гало и самой галактики. Добавление в это уравнение параметров роста сверхмассивной чёрной дыры позволило установить интересную закономерность: чёрные дыры в центрах масс галактик, аналогичные той, что существует в центре Млечного Пути, активно растут в ранней Вселенной примерно в первой трети её жизни и потом их рост резко замедляется. Это напрямую коррелирует с жизненным циклом галактик, которые ведут себя точно также. В первой трети цикла идёт активное образование звёзд, далее скорость этого процесса сильно снижается и, в итоге, сходит на нет.

«Самое важное свойство Тринити заключается в том, что она позволяет увидеть, как взаимосвязь роста чёрных дыр и галактик соотносится с широким полем вводных данных и различных методов наблюдения», — говорит аспирант Хаовен Чжан. «Алгоритм даёт возможность понять, что связь между галактиками и чёрными дырами должна выглядеть так, а не как-то иначе. При этом, причины настолько синхронного роста сверхмассивных чёрных дыр и процесса образования звёзд ещё предстоит выяснить. Ведь масштабы и основополагающие принципы этих явлений сильно различаются».