Черные дыры окружены таинственным невидимым слоем — горизонтом событий, из которого ничто не может вырваться, будь то материя, свет или информация. Горизонт событий поглощает все свидетельства прошлой жизни черной дыры.
«Из-за этих физических фактов считалось невозможным измерить, как образовались черные дыры», — сказал Питер Бехрузи (Peter Behroozi), доцент Аризонской обсерватории Стюарда и исследователь проекта в Национальной астрономической обсерватории Японии.
Вместе с Хаовеном Чжаном (Haowen Zhang), докторантом Стюарда, Бехрузи возглавил международную команду, которая использовала машинное обучение и суперкомпьютеры для реконструкции истории роста черных дыр, эффективно отодвигая их горизонты событий, чтобы показать, что находится за их пределами.
Моделирование миллионов компьютерных «вселенных» показало, что сверхмассивные черные дыры растут синхронно с их галактиками. Это подозревали в течение 20 лет, но ученые долго не могли подтвердить эту связь. Статья с выводами команды была опубликована в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
«Если вы вернетесь к более ранним временам во Вселенной, вы обнаружите, что существовали точно такие же отношения», — сказал Бехрузи. «Итак, по мере того, как галактика растет из маленькой в большую, 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 во 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 Trinity 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 Trinity 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. В предыдущих исследованиях ученые использовали более раннюю версию 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».
Trinity позволяет астрофизикам обойти не только ограничение локальной Вселенной, 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 выглядела любая черная дыра и галактика во Вселенной с сегодняшнего дня до самого начала космоса».
Моделирование проливает 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 примерно в последние 10 миллиардов лет или около того.
Однако результаты вызывают еще больше вопросов. 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.
Источник: Haowen Zhang (张昊文) et al, Trinity I: self-consistently modelling the dark matter halo–galaxy–supermassive black hole connection from z = 0–10, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (2022). DOI: 10.1093/mnras/stac2633
Изображение: 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. Предоставлено: Zhang, Wielgus (2020), ЕКА/Хаббл и НАСА, Bellini
