_ Ce face găurile negre cresc și se formează stele noi? Învățarea automată ajută la rezolvarea misterului

Atunci când sunt active, găurile negre supermasive joacă un rol crucial în modul în care evoluează galaxiile. Până acum, se credea că creșterea este declanșată de coliziunea violentă a două galaxii urmată de fuziunea lor; totuși, o nouă cercetare condusă de Universitatea din Bath sugerează că fuziunile galaxiilor nu sunt suficiente pentru a alimenta o gaură neagră – este nevoie și de un rezervor de gaz rece în centrul galaxiei gazdă.

Noul studiu, publicat în revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society se crede că este primul care a folosit învățarea automată pentru a clasifica fuziunile galaxiilor cu scopul specific de a explora relația dintre fuziunile galaxiilor, acumularea supermasivă a găurilor negre și formarea stelelor. Până acum, fuziunile erau clasificate (adesea incorect) doar prin observarea umană.

„Când oamenii caută fuziuni de galaxii, ei nu știu întotdeauna la ce se uită și folosesc multă intuiție pentru a decide dacă a avut loc o fuziune”, a spus Mathilda Avirett-Mackenzie, Ph.D. student la Departamentul de Fizică de la Universitatea din Bath și primul autor al lucrării de cercetare.

Studiul a fost o colaborare între parteneri de la BiD4BEST (Big Data Applications for Black Hole Evolution Studies), a căror rețea de formare inovatoare oferă pregătire doctorală în formarea găurilor negre supermasive.

Ea a adăugat: „Prin antrenarea unei mașini de clasificare a fuziunilor, obțineți o lectură mult mai adevărată a ceea ce fac galaxiile de fapt.”

Găurile negre supermasive se găsesc în centrul tuturor galaxiilor masive (pentru a da o senzație de scară, Calea Lactee, cu aproximativ 200 de miliarde de stele, este doar o galaxie de dimensiuni medii). Aceste găuri negre supradimensionate cântăresc în mod obișnuit între milioane și miliarde de ori masa soarelui nostru.

De-a lungul vieții lor, aceste găuri negre sunt inactiv, stau în liniște în timp ce materia orbitează în jurul lor și au un impact redus asupra galaxia ca întreg. Dar pentru faze scurte din viața lor (scurtă doar la scară astronomică și, cel mai probabil, care durează de milioane până la sute de milioane de ani), ei folosesc forțele gravitaționale pentru a atrage cantități mari de gaz către ei (un eveniment cunoscut sub numele de acreție), rezultând în un disc strălucitor care poate eclipsa întreaga galaxie.

Aceste scurte faze de activitate sunt cele mai importante pentru evoluția galaxiei, deoarece cantitățile masive de energie eliberate prin acumulare pot influența modul în care se formează stelele în galaxii. Dintr-un motiv întemeiat, deci, stabilirea a ceea ce face ca o galaxie să se miște între cele două stări ale sale – repaus și formare de stele – este una dintre cele mai mari provocări în astrofizică.

„Determinarea rolului găurilor negre supermasive în galaxie. evoluția este crucială în studiile noastre asupra universului”, a spus Avirett-Mackenzie.

Inspecția umană versus învățarea automată

De zeci de ani, modelele teoretice au sugerat că găurile negre cresc atunci când galaxiile se îmbină. Cu toate acestea, astrofizicienii care studiază legătura dintre fuziunile galaxiilor și creșterea găurilor negre de-a lungul multor ani au provocat aceste modele cu o întrebare simplă: Cum identificăm în mod fiabil fuziunile galaxiilor?

Inspecția vizuală a fost cea mai frecventă. metoda folosita. Clasificatorii umani, fie experți, fie membri ai publicului, observă galaxiile și identifică asimetrii mari sau cozi lungi de maree (regiuni subțiri și alungite de stele și gaze interstelare care se extind în spațiu), ambele fiind asociate cu fuziunile galaxiilor.

Cu toate acestea, această metodă de observare este atât consumatoare de timp, cât și nesigură, deoarece este ușor pentru oameni să facă greșeli în clasificările lor. Drept urmare, studiile de fuziune dau adesea rezultate contradictorii.

Pentru noul studiu condus de Bath, cercetătorii și-au propus provocarea de a îmbunătăți modul în care sunt clasificate fuziunile, studiind legătura dintre creșterea găurilor negre și evoluția galaxiilor prin utilizarea inteligenței artificiale.

Ei au antrenat o rețea neuronală (un subset de învățare automată inspirată de creierul uman și care mimează modul în care neuronii biologici semnalează unii altora) pe fuziuni simulate de galaxii, apoi au aplicat acest model galaxiilor observate în cosmos.

Făcând acest lucru, au reușit să identifice fuziuni fără părtiniri umane și să studieze legătura dintre fuziunile galaxiilor și creșterea găurilor negre. Ei au arătat că rețeaua neuronală depășește performanța clasificatorilor umani în identificarea fuziunilor și, de fapt, clasificatorii umani tind să confunde galaxiile obișnuite cu fuziuni.

Aplicând această nouă metodologie, cercetătorii au reușit să demonstreze că fuziunile nu sunt puternice. asociat cu creșterea găurilor negre. Semnăturile de fuziune sunt la fel de frecvente în galaxiile cu și fără acumulare de găuri negre supermasive.

Folosind un eșantion extrem de mare de aproximativ 8.000 de sisteme de acreție de găuri negre – ceea ce a permis echipei să studieze problema mult mai detaliat – s-a constatat că fuziunile au condus la creșterea găurilor negre doar într-un tip foarte specific de galaxii: galaxiile formatoare de stele care conțin cantități semnificative de gaz rece.

Acest lucru arată că fuziunile galaxiilor nu sunt suficiente pentru a alimenta găurile negre. : trebuie să fie prezente și cantități mari de gaz rece pentru a permite gaura neagră să crească.

Avirett-Mackenzie a spus: „Pentru ca galaxiile să formeze stele, ele trebuie să conțină nori de gaz rece care sunt capabili să se prăbușească în stele. Procesele extrem de energetice, cum ar fi acumularea supermasivă a găurilor negre, încălzește acest gaz, fie făcându-l prea energic pentru a se prăbuși, fie eliminându-l din galaxie.”

Ea a adăugat: „Într-o noapte senină, poți doar despre observați acest proces care are loc în timp real cu Nebuloasa Orion - o regiune mare, de formare a stelelor din galaxia noastră și cea mai apropiată de Pământ de acest gen - unde puteți vedea unele stele care s-au format recent și altele care încă se formează. „

Dr. Carolin Villforth, lector superior la Departamentul de Fizică și supervizorul lui Avirett-Mackenzie la Bath, a declarat: „Până acum, toată lumea studia fuziunile în același mod, prin clasificare vizuală. Cu această metodă, atunci când utilizau clasificatori experți care pot identifica caracteristici mai subtile. , am putut să ne uităm doar la câteva sute de galaxii, nu mai mult.

„În schimb, folosirea învățării automate deschide un domeniu complet nou și foarte interesant în care puteți analiza mii de galaxii simultan. Obțineți rezultate consistente pentru mostre cu adevărat mari și, în orice moment, puteți analiza multe proprietăți diferite ale unei găuri negre.”

(Fluierul)