机器学习揭示了黑洞是如何生长的

尽管它们看起来可能不同，但黑洞和拉斯维加斯有一个共同点：那里发生的一切都留在那里——这让试图了解黑洞如何、何时以及为何形成和生长的天体物理学家感到沮丧。

黑洞被一层神秘的、看不见的层——事件视界——包围着，无论是物质、光还是信息，任何东西都无法逃脱。事件视界吞噬了关于黑洞过去的所有证据。

“由于这些物理事实，过去人们认为不可能测量黑洞是如何形成的，”亚利桑那大学斯图尔德天文台副教授兼日本国家天文台项目研究员彼得贝鲁兹说。

Behroozi与Steward的博士生张浩文一起，带领一个国际团队使用机器学习和超级计算机重建黑洞的生长历史，有效地剥离黑洞的视界以揭示黑洞之外的东西。

对数百万个计算机生成的“宇宙”的模拟表明，超大质量黑洞与其宿主星系步调一致地生长。这已被怀疑了20年，但科学家们直到现在才能够证实这种关系。该团队的研究成果发表在皇家天文学会月刊上。

“如果你回到宇宙中越来越早的时间，你会发现存在完全相同的关系，”该论文的合著者Behroozi说。“因此，随着星系从小变大，它的黑洞也从小变大，就像我们今天在整个宇宙中看到的星系一样。”

大多数(如果不是全部的话)散布在宇宙中的星系被认为在它们的中心有一个超大质量黑洞。这些黑洞的质量是太阳的100,000倍以上，有些甚至拥有数百万甚至数十亿的太阳质量。天体物理学最棘手的问题之一是这些庞然大物是如何快速成长的，以及它们最初是如何形成的。

为了找到答案，Zhang、Behroozi和他们的同事创建了Trinity，这是一个使用新型机器学习形式的平台，能够在超级计算机上生成数百万个不同的宇宙，每个宇宙都遵循关于星系应该如何形成的不同物理理论。研究人员建立了一个框架，在这个框架中，计算机提出了关于超大质量黑洞如何随时间增长的新规则。

然后，他们使用这些规则模拟了虚拟宇宙中数十亿个黑洞的生长，并“观察”了虚拟宇宙，以测试它是否与数十年来对真实宇宙中黑洞的实际观察结果一致。在数以百万计的提议和拒绝规则集之后，计算机确定了最能描述现有观察结果的规则。

“我们正试图了解星系形成的规则，”Behroozi说。“简而言之，我们让Trinity猜测物理定律可能是什么，然后让他们进入一个模拟的宇宙，看看这个宇宙是如何产生的。它看起来像真实的宇宙吗?”

据研究人员称，这种方法同样适用于宇宙内部的任何其他事物，而不仅仅是星系。

该项目的名称Trinity参考了它的三个主要研究领域：星系、它们的超大质量黑洞和它们的暗物质晕——暗物质的巨大茧，直接测量是看不见的，但它们的存在对于解释物理特性是必要的到处都是星系。在之前的研究中，研究人员使用了他们框架的早期版本，称为UniverseMachine，来模拟数百万个星系及其暗物质晕。研究小组发现，在暗物质晕中生长的星系遵循晕质量与星系质量之间非常特殊的关系。

“在我们的新工作中，我们将黑洞添加到这种关系中，”Behroozi说，“然后询问黑洞如何在这些星系中生长以重现人们对它们所做的所有观察。”

“我们对黑洞质量有很好的观察，”该论文的第一作者张说。“然而，这些在很大程度上局限于局部宇宙。当你看得更远时，准确测量黑洞质量与其宿主星系之间的关系变得越来越困难，最终不可能。由于这种不确定性，观测可以直接告诉我们这种关系是否适用于整个宇宙。”

Trinity不仅让天体物理学家避开了这一限制，还通过将数百万个观察到的处于不同生长阶段的黑洞的信息拼接在一起，从而避开了单个黑洞的事件视界信息障碍。尽管无法重建单个黑洞的历史，但研究人员可以测量所有黑洞的平均生长历史。

“如果你将黑洞放入模拟星系中并输入关于它们如何生长的规则，你可以将所得宇宙与我们对实际黑洞的所有观察结果进行比较，”张说。“然后我们可以重建宇宙中任何黑洞和星系从今天回到宇宙开始时的样子。”

模拟揭示了另一个令人费解的现象：超大质量黑洞——就像在银河系中心发现的黑洞一样——在它们的婴儿期生长最为旺盛，当时宇宙只有几十亿岁，但在随后的时间，在过去的100亿年左右。

“我们早就知道星系有这种奇怪的行为，它们形成新恒星的速度达到顶峰，然后随着时间的推移逐渐减少，然后，它们完全停止形成恒星，”Behroozi说。“现在，我们已经能够证明黑洞也有同样的作用：与其宿主星系同时生长和关闭。这证实了几十年来关于星系中黑洞生长的假设。”

然而，他补充说，结果提出了更多问题。黑洞比它们所在的星系小得多。如果银河系按比例缩小到地球那么大，那么它的超大质量黑洞就是这句话末尾那个句点的大小。

要使黑洞的质量在与更大的星系相同的时间范围内增加一倍，需要在截然不同的尺度上同步气体流动。黑洞如何与星系合力实现这种平衡尚不清楚。

“我认为Trinity的真正原创之处在于它为我们提供了一种方法来找出黑洞和星系之间的何种联系与各种不同的数据集和观测方法是一致的，”张说。

“该算法使我们能够精确地挑选出暗物质晕、星系和黑洞之间的关系，这些关系能够重现所有已经进行的观察。它基本上告诉我们，‘好吧，鉴于所有这些数据，我们知道它们之间的联系星系和黑洞之间必须看起来像这样，而不是那样。而且这种方法非常强大。”