|
Что заставляет черные дыры расти и создавать звезды
|
|
|
|
Когда сверхмассивные черные дыры активны, они играют решающую роль в эволюции галактик. До сих пор считалось, что рост был вызван сильным столкновением двух галактик с последующим их слиянием; однако новое исследование, проведенное Университетом Бата, предполагает, что одних слияний галактик недостаточно для подпитки черной дыры — необходим также резервуар холодного газа в центре принимающей галактики. Считается, что новое исследование, опубликованное в журнале Monthly Notices Королевского астрономического общества, является первым, в котором машинное обучение используется для классификации слияний галактик с конкретной целью изучения взаимосвязи между слияниями галактик, аккрецией сверхмассивных черных дыр и звездообразованием. До сих пор слияния классифицировались (часто неправильно) только на основе наблюдений человека. "Когда люди ищут слияния галактик, они не всегда знают, на что они смотрят, и они используют большую часть интуиции, чтобы решить, произошло ли слияние", - сказала Матильда Авиретт-Маккензи, аспирантка физического факультета Университета Бата и первый автор исследования бумага.
|
|
|
|
Исследование было проведено в сотрудничестве с партнерами из BiD4BEST (Приложения больших данных для изучения эволюции черных дыр), чья инновационная учебная сеть обеспечивает докторскую подготовку по образованию сверхмассивных черных дыр. Она добавила: "Обучая машину классифицировать слияния, вы получаете гораздо более правдивое представление о том, что на самом деле делают галактики". Сверхмассивные черные дыры находятся в центре всех массивных галактик (чтобы дать представление о масштабе, Млечный Путь, насчитывающий около 200 миллиардов звезд, является галактикой лишь среднего размера). Эти сверхразмерные черные дыры обычно весят в миллионы и миллиарды раз больше массы нашего Солнца. На протяжении большей части своей жизни эти черные дыры находятся в состоянии покоя, сидя тихо, в то время как материя вращается вокруг них, и оказывают незначительное влияние на галактику в целом. Но на коротких этапах своей жизни (кратких только в астрономических масштабах и, скорее всего, длящихся миллионы-сотни миллионов лет) они используют силы притяжения, чтобы притягивать к себе большое количество газа (событие, известное как аккреция), в результате чего образуется яркий диск, который может затмить всю галактику.
|
|
|
Именно эти короткие фазы активности наиболее важны для эволюции галактик, поскольку огромное количество энергии, высвобождаемой в результате аккреции, может повлиять на то, как формируются звезды в галактиках. Таким образом, по уважительной причине установление того, что заставляет галактику перемещаться между двумя ее состояниями — покоя и звездообразования — является одной из величайших задач в астрофизике. "Определение роли сверхмассивных черных дыр в эволюции галактик имеет решающее значение в наших исследованиях Вселенной", - сказал Авиретт-Маккензи. На протяжении десятилетий теоретические модели предполагали, что черные дыры растут при слиянии галактик. Однако астрофизики, изучающие связь между слияниями галактик и ростом черных дыр на протяжении многих лет, бросали вызов этим моделям простым вопросом: как мы можем надежно идентифицировать слияния галактик?
|
|
|
|
Наиболее часто используемым методом был визуальный осмотр. Люди—классификаторы - либо эксперты, либо представители общественности — наблюдают за галактиками и выявляют высокую асимметрию или длинные приливные хвосты (тонкие, вытянутые области звезд и межзвездного газа, которые простираются в космос), оба из которых связаны со слияниями галактик. Однако этот метод наблюдений отнимает много времени и ненадежен, поскольку люди легко допускают ошибки в своих классификациях. В результате исследования слияний часто дают противоречивые результаты. В новом исследовании, проведенном под руководством Bath, исследователи поставили перед собой задачу улучшить способ классификации слияний, изучив связь между ростом черных дыр и эволюцией галактик с помощью искусственного интеллекта. Они обучили нейронную сеть (подмножество машинного обучения, вдохновленное человеческим мозгом и имитирующее способ передачи сигналов биологическими нейронами друг другу) моделированию слияния галактик, а затем применили эту модель к галактикам, наблюдаемым в космосе.
|
|
|
|
Поступая таким образом, они смогли идентифицировать слияния без предубеждений человека и изучить связь между слияниями галактик и ростом черных дыр. Они показали, что нейронная сеть превосходит человеческие классификаторы в выявлении слияний, и на самом деле человеческие классификаторы склонны ошибочно принимать обычные галактики за слияния. Применив эту новую методологию, исследователи смогли показать, что слияния не сильно связаны с ростом черных дыр. Признаки слияния одинаково распространены в галактиках как с аккрецирующими сверхмассивными черными дырами, так и без них. Используя чрезвычайно большую выборку из примерно 8000 аккрецирующих систем черных дыр, что позволило команде изучить вопрос гораздо более подробно, было обнаружено, что слияния приводят к росту черных дыр только в очень специфическом типе галактик: звездообразующих галактиках, содержащих значительное количество холодного газа. Это показывает, что одних слияний галактик недостаточно для подпитки черных дыр: также должно присутствовать большое количество холодного газа, чтобы черная дыра могла расти.
|
|
|
|
Авиретт-Маккензи сказал: "Чтобы галактики могли образовывать звезды, они должны содержать облака холодного газа, способные коллапсировать в звезды. Высокоэнергетические процессы, такие как аккреция сверхмассивной черной дыры, нагревают этот газ, либо делая его слишком энергичным для коллапса, либо выдувая его за пределы галактики". Она добавила: "Ясной ночью вы можете наблюдать этот процесс в режиме реального времени с туманностью Ориона - большой областью звездообразования в нашей галактике и самой близкой к Земле в своем роде — где вы можете увидеть некоторые звезды, которые сформировались недавно, и другие, которые все еще находятся в процессе формирования. формируюсь." Доктор Кэролин Виллфорт, старший преподаватель физического факультета и научный руководитель Авиретт-Маккензи в Бате, сказала: "До сих пор все изучали слияния одним и тем же способом — с помощью визуальной классификации. С помощью этого метода, при использовании экспертных классификаторов, которые могут выявлять более тонкие особенности, мы смогли рассмотреть только пару сотен галактик, не больше. "Использование машинного обучения вместо этого открывает совершенно новую и очень захватывающую область, где вы можете анализировать тысячи галактик одновременно. Вы получаете согласованные результаты на действительно больших выборках, и в любой данный момент вы можете изучить множество различных свойств черной дыры".
|
|
|
|
Источник
|
