Пара дисковых галактик на поздних стадиях слияния. Кредит: НАСА.
Когда они активны, сверхмассивные черные дыры играют решающую роль в эволюции галактик. До сих пор считалось, что рост вызван сильным столкновением двух галактик с последующим их слиянием; однако новое исследование, проведенное Университетом Бата, предполагает, что одних только слияний галактик недостаточно, чтобы подпитывать черную дыру — необходим также резервуар холодного газа в центре родительской галактики.
Новое исследование, опубликованное в журнале «Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества», считается 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 человеческого наблюдения.
«Когда люди ищут слияния галактик, они не всегда знают, на что смотрят, и используют интуицию, чтобы решить, произошло ли слияние», — сказала Матильда Авиретт-Маккензи, доктор философии. студент факультета физики Университета Бата и первый автор исследовательской работы.
Исследование проводилось в сотрудничестве с партнерами из BiD4BEST (Приложения больших данных для исследований эволюции черных дыр), чья инновационная учебная сеть обеспечивает докторскую подготовку по вопросам формирования сверхмассивных черных дыр.
Она добавила: «Обучив машину классифицировать слияния, вы получите гораздо более правдивое представление о том, что на самом деле делают галактики».
Сверхмассивные черные дыры
Сверхмассивные черные дыры находятся в центре всех массивных галактик (чтобы дать представление о масштабе, Млечный Путь, насчитывающий около 200 миллиардов звезд, представляет собой всего лишь галактику среднего размера). Эти сверхразмерные черные дыры обычно весят в миллионы и миллиарды раз больше массы нашего Солнца.
Большую часть своей жизни эти черные дыры находятся в состоянии покоя, спокойно сидя, пока материя вращается вокруг них, и оказывая незначительное влияние на галактику в целом. Но в течение коротких периодов своей жизни (кратких только в астрономическом масштабе и, скорее всего, продолжающихся от миллионов до сотен миллионов лет) они используют силы гравитации, чтобы притянуть к себе большие количества газа (событие, известное как аккреция), что приводит к яркий диск, способный затмить всю галактику.
Именно эти короткие фазы активности наиболее важны для эволюции галактик, поскольку огромное количество энергии, высвобождаемой в результате аккреции, может повлиять на формирование звезд в галактиках. Не зря же установление того, что заставляет галактику перемещаться между двумя состояниями — покоя и звездообразования — является одной из величайших задач астрофизики.
«Определение роли сверхмассивных черных дыр в эволюции галактик имеет решающее значение в наших исследованиях Вселенной», — сказал Авиретт-Маккензи.
Распределение нашей первичной выборки АЯГ (сейфертовские галактики 2) по звездным массам (вверху) и [O iii] Яркость в зависимости от красного смещения. Ширина интервалов гистограмм M* и z иллюстрирует интервалы, используемые для сопоставления элементов управления. Обратите внимание, что контрольный образец совпадает по M* и z, поэтому гистограммы для контроля идентичны и здесь не показаны. Фото: Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества (2024 г.). DOI: 10.1093/mnras/stae183
Человеческий осмотр против машинного обучения
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 ставили под сомнение эти модели, задавая простой вопрос: как мы можем надежно идентифицировать слияния галактик?
Визуальный осмотр является наиболее распространенным методом. Человеческие 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 наблюдения требует много времени и ненадежен, поскольку людям легко допустить ошибки в своих классификациях. В результате исследования слияний часто дают противоречивые результаты.
В новом исследовании под руководством Бата исследователи поставили перед собой задачу улучшить способ классификации слияний путем изучения связи между ростом черных дыр и эволюцией галактик с помощью искусственного интеллекта.
Вдохновлен человеческим мозгом
Они обучили нейронную сеть (подмножество машинного обучения, вдохновленное человеческим мозгом и имитирующее способ передачи сигналов биологическими нейронами друг другу) на моделировании слияний галактик, а затем применили эту модель к галактикам, наблюдаемым в космосе.
Благодаря этому они смогли идентифицировать слияния галактик 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.
Применяя эту новую методологию, исследователи смогли показать, что слияния не сильно связаны с ростом черных дыр. Признаки слияния одинаково распространены в галактиках с аккрецирующими сверхмассивные черные дыры 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. галактики, содержащие 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 сказала: «Чтобы галактики образовывали звезды, они должны содержать облака холодного газа, которые способны коллапсировать в звезды. Высокоэнергетические процессы, такие как аккреция сверхмассивных черных дыр, нагревают этот газ, либо делая его слишком энергичным для коллапса, либо взрывая его. из галактики».
Она добавила: «Ясной ночью вы можете почти увидеть этот процесс, происходящий в реальном времени, с помощью туманности Ориона — большой области звездообразования в нашей галактике и самой близкой в своем роде к Земле — где вы можете увидеть некоторые звезды, которые образовались недавно, и другие, которые все еще формируются».
Доктор Кэролин Виллфорт, старший преподаватель кафедры физики и научный руководитель Авиретт-Маккензи в Бате, сказала: «До сих пор все изучали слияния одним и тем же способом — посредством визуальной классификации. С помощью этого метода, при использовании экспертных классификаторов, которые могут обнаружить больше тонких особенностей, нам удалось рассмотреть лишь пару сотен галактик, не больше.
«Вместо этого использование машинного обучения открывает совершенно новую и очень интересную область, в которой вы можете анализировать тысячи галактик одновременно. Вы получаете последовательные результаты на действительно больших выборках, и в любой момент вы можете просмотреть множество различных свойств черной галактики. дыра.»
Информация от: Университетом Бата
