Choć mogą się wydawać różne, czarne dziury i Las Vegas mają jedną wspólną cechę: to, co się tam dzieje, zostaje tam — ku frustracji astrofizyków próbujących zrozumieć, jak, kiedy i dlaczego czarne dziury powstają i rosną. Czarne dziury są otoczone tajemniczą, niewidzialną warstwą – horyzontem zdarzeń – z którego nic nie może uciec, czy to materia, światło czy informacja. Horyzont zdarzeń pochłania wszelkie dowody na temat przeszłości czarnej dziury.
„Z powodu tych faktów fizycznych uznano, że niemożliwe jest zmierzenie sposobu powstawania czarnych dziur” – powiedział Peter Behroozi, profesor nadzwyczajny w Obserwatorium Stewarda na Uniwersytecie Arizony i badacz projektu w Narodowym Obserwatorium Astronomicznym w Japonii.
Wraz z Haowen Zhang, doktorantem w Steward, Behroozi poprowadził międzynarodowy zespół, który wykorzystał uczenie maszynowe i superkomputery do zrekonstruowania historii wzrostu czarnych dziur, skutecznie odsłaniając ich horyzonty zdarzeń, aby odkryć, co kryje się za nimi.
Symulacje milionów wygenerowanych komputerowo „wszechświatów” ujawniły, że supermasywne czarne dziury rosną w jednym kroku ze swoimi galaktykami macierzystymi. Podejrzewano to od 20 lat, ale naukowcy nie byli w stanie potwierdzić tego związku aż do teraz. Artykuł z odkryciami zespołu został opublikowany w Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
„Jeśli cofniesz się do wcześniejszych i wcześniejszych czasów we wszechświecie, odkryjesz, że istniał dokładnie ten sam związek” – powiedział Behroozi, współautor artykułu. „Tak więc, gdy galaktyka rośnie od małej do dużej, jej czarna dziura również rośnie od małej do dużej, dokładnie w taki sam sposób, jaki obserwujemy we współczesnych galaktykach w całym wszechświecie”.
Uważa się, że większość, jeśli nie wszystkie, galaktyk rozsianych po całym kosmosie zawiera w swoim centrum supermasywną czarną dziurę. Te czarne dziury mają masy większe niż 100 000 mas Słońca, a niektóre mogą pochwalić się milionami, a nawet miliardami mas Słońca. Jednym z najbardziej dokuczliwych pytań astrofizyki było to, jak te giganty rosną tak szybko, jak to robią i jak w ogóle się formują.
Aby znaleźć odpowiedzi, Zhang, Behroozi i ich współpracownicy stworzyli Trinity, platformę wykorzystującą nowatorską formę uczenia maszynowego zdolną do generowania milionów różnych wszechświatów na superkomputerze, z których każdy jest zgodny z różnymi teoriami fizycznymi dotyczącymi formowania się galaktyk. Naukowcy zbudowali ramy, w których komputery proponują nowe zasady wzrostu supermasywnych czarnych dziur w czasie. Następnie wykorzystali te zasady do symulacji wzrostu miliardów czarnych dziur w wirtualnym wszechświecie i „obserwowali” wirtualny wszechświat, aby sprawdzić, czy zgadza się on z dziesięcioleciami rzeczywistych obserwacji czarnych dziur w rzeczywistym wszechświecie. Po milionach zaproponowanych i odrzuconych zestawów reguł komputery zdecydowały się na reguły, które najlepiej opisują istniejące obserwacje.
„Staramy się zrozumieć zasady powstawania galaktyk” – powiedział Behroozi. „Krótko mówiąc, sprawiamy, że Trinity zgaduje, jakie mogą być prawa fizyczne, i pozwalamy im wejść do symulowanego wszechświata i zobaczyć, jak ten wszechświat się okaże. Czy wygląda jak prawdziwy, czy nie?”
Zdaniem naukowców podejście to sprawdza się równie dobrze w przypadku wszystkiego innego we wszechświecie, nie tylko galaktyk.
Nazwa projektu, Trinity, odnosi się do trzech głównych obszarów badań: galaktyk, ich supermasywnych czarnych dziur i ich halo ciemnej materii – rozległych kokonów ciemnej materii, które są niewidoczne w bezpośrednich pomiarach, ale których istnienie jest niezbędne do wyjaśnienia fizycznego wszędzie cechy galaktyk. W poprzednich badaniach naukowcy wykorzystali wcześniejszą wersję ich struktury, zwaną UniverseMachine, do symulacji milionów galaktyk i ich halo ciemnej materii. Zespół odkrył, że galaktyki rosnące w halo ciemnej materii wykazują bardzo specyficzną zależność między masą halo a masą galaktyki.
„W naszej nowej pracy dodaliśmy do tego związku czarne dziury”, powiedział Behroozi, „a następnie zapytaliśmy, w jaki sposób czarne dziury mogą rosnąć w tych galaktykach, aby odtworzyć wszystkie obserwacje dokonane przez ludzi na ich temat”.
„Mamy bardzo dobre obserwacje mas czarnych dziur” – powiedział Zhang, główny autor artykułu. „Jednak są one w dużej mierze ograniczone do wszechświata lokalnego. Im dalej patrzysz, tym bardziej staje się coraz trudniejsze, a ostatecznie niemożliwe, dokładne zmierzenie zależności między masami czarnych dziur a ich galaktykami macierzystymi. Z powodu tej niepewności obserwacje mogą nie powie nam bezpośrednio, czy ten związek utrzymuje się w całym wszechświecie”.
Trinity pozwala astrofizykom ominąć nie tylko to ograniczenie, ale także barierę informacyjną horyzontu zdarzeń dla poszczególnych czarnych dziur, łącząc informacje z milionów obserwowanych czarnych dziur na różnych etapach ich wzrostu. Chociaż historii żadnej pojedynczej czarnej dziury nie udało się zrekonstruować, naukowcy mogli zmierzyć średnią historię wzrostu wszystkich czarnych dziur razem wziętych.
„Jeśli umieścisz czarne dziury w symulowanych galaktykach i wprowadzisz reguły dotyczące ich wzrostu, możesz porównać powstały wszechświat ze wszystkimi obserwacjami rzeczywistych czarnych dziur, które mamy” – powiedział Zhang. „Możemy wtedy zrekonstruować, jak każda czarna dziura i galaktyka we wszechświecie wyglądały od dzisiaj do samych początków kosmosu”.
Symulacje rzucają światło na inne zagadkowe zjawisko: supermasywne czarne dziury – takie jak ta znaleziona w centrum Drogi Mlecznej – najintensywniej rosły w okresie niemowlęcym, gdy Wszechświat miał zaledwie kilka miliardów lat, tylko po to, by dramatycznie zwolnić w następnym czasie, w ciągu ostatnich 10 miliardów lat.
„Od jakiegoś czasu wiemy, że galaktyki mają to dziwne zachowanie, kiedy osiągają szczyt w tempie tworzenia nowych gwiazd, potem maleje z czasem, a później całkowicie przestają formować gwiazdy” – powiedział Behroozi. „Teraz byliśmy w stanie pokazać, że czarne dziury robią to samo: rosną i zamykają się w tym samym czasie, co ich galaktyki macierzyste. Potwierdza to istniejącą od dziesięcioleci hipotezę o wzroście czarnych dziur w galaktykach”.
Dodał jednak, że wynik stawia więcej pytań. Czarne dziury są znacznie mniejsze niż galaktyki, w których żyją. Gdyby Droga Mleczna została zmniejszona do rozmiarów Ziemi, jej supermasywna czarna dziura miałaby rozmiar kropki na końcu tego zdania.
Aby czarna dziura podwoiła masę w tym samym czasie co większa galaktyka, konieczna jest synchronizacja przepływów gazu w bardzo różnych skalach. Nie wiadomo jeszcze, w jaki sposób czarne dziury spiskują z galaktykami, aby osiągnąć tę równowagę.
„Myślę, że naprawdę oryginalną rzeczą w Trinity jest to, że pozwala nam dowiedzieć się, jakiego rodzaju powiązania między czarnymi dziurami a galaktykami są zgodne z szeroką gamą różnych zestawów danych i metod obserwacyjnych” – powiedział Zhang. „Algorytm pozwala nam precyzyjnie wybrać te relacje między halo ciemnej materii, galaktykami i czarnymi dziurami, które są w stanie odtworzyć wszystkie dokonane obserwacje. Zasadniczo mówi nam:„ OK, biorąc pod uwagę wszystkie te dane, znamy związek między galaktykami a czarnymi dziurami musi wyglądać tak, a nie tak”. I to podejście jest niezwykle potężne”.