Машинне навчання показало, що лише злиття галактик недостатньо для зростання чорних дір

Під час своєї активності надмасивні чорні діри відіграють вирішальну роль у розвитку галактик. Досі вважалося, що їхнє зростання відбувається внаслідок несамовитого зіткнення двох галактик з подальшим злиттям; однак нове дослідження свідчить про те, що одного лише злиття галактик недостатньо для живлення чорної діри — потрібен ще й резервуар холодного газу в центрі галактики-господаря.

Про це розповідається у пресрелізі Університету Бата (Велика Британія), передають OstanniPodii.com.

Нове дослідження вважається першим, що використовує машинне навчання для класифікації злиття галактик з конкретною метою: дослідити зв'язок між злиттям галактик, акрецією надмасивних чорних дір і зореутворенням. Як вказують дослідники, досі злиття класифікували часто неправильно, лише на основі людських спостережень.

“Коли люди шукають злиття галактик, вони не завжди знають, на що вони дивляться, і використовують чималу долю інтуїції для вирішення, чи відбулося злиття”, - сказала Матильда Авірет-Маккензі, аспірантка на кафедрі фізики в Університеті Бата та перша автор наукової роботи.

Вона додала: “Навчивши машину класифікувати злиття, ви отримуєте набагато більш правдиві дані про те, що насправді відбувається у галактиках”.

Надмасивні чорні діри

Надмасивні чорні діри знаходяться в центрі всіх масивних галактик (щоб дати відчуття масштабу, Чумацький Шлях, що налічує близько 200 мільярдів зір, є галактикою середнього розміру). Ці надвеликі чорні діри зазвичай важать від мільйонів до мільярдів разів більше маси нашого Сонця.

Більшу частину свого життя ці чорні діри перебувають у стані спокою, тихо сидячи, поки матерія обертається навколо них по орбіті, і мало впливають на галактику в цілому. Але у короткі періоди свого життя (короткі лише в астрономічному масштабі, і, швидше за все, тривалістю від мільйонів до сотень мільйонів років) вони використовують сили гравітації для притягування до себе великої кількості газу у події, відомій як акреція. У результаті утворюється яскравий диск, який може перевершити за світністю всю галактику.

Саме ці короткі фази активності є найбільш важливими для еволюції галактик, оскільки величезна кількість енергії, що вивільняється під час акреції, може впливати на те, як утворюються зорі в галактиках. Тому з'ясування того, що змушує галактику рухатися між двома станами — спокоєм і зореутворенням — є одним з найбільших викликів в астрофізиці.

“Визначення ролі надмасивних чорних дір в еволюції галактик має вирішальне значення в наших дослідженнях Всесвіту”, - каже Авірет-Маккензі.

Людський огляд проти машинного навчання

Десятиліттями теоретичні моделі припускали, що чорні діри зростають тоді, коли галактики зливаються. Однак астрофізики, які вже багато років вивчають зв'язок між злиттям галактик і зростанням чорних дір, кидають виклик цим моделям простим запитанням: Як ми можемо надійно ідентифікувати злиття галактик?

Візуальний огляд був найпоширенішим методом. Люди-класифікатори — або експерти, або представники громадськості — спостерігають за галактиками та виявляють високу асиметрію або довгі приливні хвости (тонкі, витягнуті області зір і міжзоряного газу, які простягаються в космос), які асоціюються зі злиттями галактик.

Однак цей метод спостереження є трудомістким і ненадійним, оскільки людині легко помилитися у своїх класифікаціях. Як наслідок, дослідження злиттів галактик часто дають суперечливі результати.

Новини за подібною темою:

		У нашій галактиці знайдено наймасивнішу чорну діру зоряної маси
		Астрономи виявили крихітну чорну діру, яка неодноразово пробиває газовий диск більшої чорної діри
		Надмасивні чорні діри ненадовго прокидаються з глибокого сну завдяки подрібненим ними зорям

У новому дослідженні вчені поставили перед собою завдання вдосконалити спосіб класифікації злиттів, вивчивши зв'язок між зростанням чорних дір та еволюцією галактик за допомогою штучного інтелекту.

Натхненні людським мозком

Вони навчили нейронну мережу (підмножина машинного навчання, натхненна людським мозком, що імітує спосіб, у який біологічні нейрони сигналізують один одному) на симуляції злиття галактик, а потім застосували цю модель до галактик, що спостерігаються у космосі.

Таким чином, вони змогли ідентифікувати злиття без людських упереджень і вивчити зв'язок між злиттям галактик і зростанням чорних дір. Вони показали, що нейронна мережа перевершує людські класифікатори у визначенні злиттів, і насправді людські класифікатори схильні помилково приймати звичайні галактики за злиття.

Застосувавши нову методологію, дослідники змогли показати, що злиття не пов'язані зі зростанням чорних дір. Сигнатури злиття однаково поширені в галактиках з надмасивними чорними дірами та без них.

Використовуючи надзвичайно велику вибірку з приблизно 8000 систем чорних дір, які перебувають у процесі акреції, — що дозволило команді вивчити питання набагато детальніше — було виявлено, що злиття призводять до зростання чорних дір лише в дуже специфічному типі галактик: зореутворювальних галактиках, які містять значну кількість холодного газу.

Це свідчить про те, що лише злиття галактик недостатньо для підживлення чорних дір: для того, щоб чорна діра могла зростати, необхідна також наявність великої кількості холодного газу.

Авірет-Маккензі каже: “Для того, щоб галактики утворили зорі, вони повинні містити хмари холодного газу, які здатні колапсувати в зорі. Високоенергетичні процеси, такі як акреція надмасивних чорних дір, нагрівають цей газ, роблячи його або занадто енергійним для колапсу, або вириваючи його з галактики”.

Вона додала: “У ясну ніч ви можете майже помітити цей процес, що відбувається в реальному часі, в туманності Оріона — великій області зореутворення нашої галактики, найближчій до Землі — де можна побачити деякі зорі, які утворилися нещодавно, та інші, які все ще формуються”.

Доктор Керолін Віллфорт, старша викладач кафедри фізики та науковий керівник Авіретти-Маккензі в Баті, сказала: “До цього часу всі вивчали злиття однаково — за допомогою візуальної класифікації. За допомогою цього методу, з використанням експертних класифікаторів, які можуть помітити більш тонкі особливості, ми могли розглянути лише пару сотень галактик, не більше”.

“Натомість використання машинного навчання відкриває абсолютно нову та дуже захопливу сферу, де можна аналізувати тисячі галактик одночасно. Ви отримуєте узгоджені результати на дійсно великих вибірках, і в будь-який момент ви можете спостерігати за багатьма різними властивостями чорних дір”.

Роботу опубліковано в журналі "Щомісячні повідомлення Королівського астрономічного товариства".

• Чорні діри
• машинне навчання