Nasıl çalışır: Makine öğrenimi, deneme yanılma yöntemini kullanarak, farklı kurallar kullanılarak oluşturulan birçok farklı simüle edilmiş galaksi ve karadelik çiftini test eder ve ardından gerçek astronomik gözlemlere en uygun eşleştirmeyi seçer. Kredi: H. Zhang, Wielgus ve ark. (2020), ESA/Hubble & NASA, A. Bellini
Arizona Üniversitesi’ndeki araştırmacılar, astronomik gözlemlerden kaçan astrofiziksel tahminleri test etmek için bilgisayar tarafından üretilen milyonlarca “evrenin” simülasyonlarını oluşturmak için süper bilgi işlem gücünden yararlandı.
Ne kadar farklı görünseler de, kara deliklerin ve Las Vegas’ın ortak bir noktası var: Orada olan şey orada kalıyor – kara deliklerin nasıl, ne zaman ve neden oluştuğunu ve büyüdüğünü anlamaya çalışan astrofizikçilerin hüsrana uğramasına kadar. Kara delikler, madde, ışık veya bilgi olsun, hiçbir şeyin kaçamayacağı gizemli, görünmez bir katman olan olay ufku ile çevrilidir. Bu, olay ufkunun, olayla ilgili her türlü kanıtı yuttuğu anlamına gelir. Kara delikgeçmiş.
Arizona Üniversitesi Steward Gözlemevi’nde doçent ve Japonya Ulusal Astronomi Gözlemevi’nde (NAOJ) bir proje araştırmacısı olan Peter Behroozi, “Bu fiziksel gerçekler nedeniyle, kara deliklerin nasıl oluştuğunu ölçmenin imkansız olduğu düşünülüyordu” dedi.
Steward’da doktora öğrencisi olan Haowen Zhang ile birlikte Behroozi, uluslararası bir ekibin kara deliklerin büyüme geçmişlerini yeniden yapılandırmak için makine öğrenimi ve süper bilgisayarları kullanmasına öncülük etti ve ötesinde ne olduğunu ortaya çıkarmak için olay ufuklarını etkili bir şekilde soydu.
Milyonlarca bilgisayar tarafından üretilen “evren” simülasyonları, süper kütleli karadeliklerin ev sahibi galaksileriyle aynı doğrultuda büyüdüğünü ortaya çıkardı. Bundan 20 yıldır şüphe duyuluyordu, ancak bilim adamları şimdiye kadar bu ilişkiyi doğrulayamıyordu. Ekibin bulgularını içeren bir makale yayınlandı. Royal Astronomical Society’nin Aylık Bildirimleri.
Makalenin ortak yazarlarından Behroozi, “Evrende daha önceki zamanlara geri giderseniz, tamamen aynı ilişkinin var olduğunu görürsünüz” dedi. “Öyleyse, galaksi küçükten büyüğe doğru büyürken, karadeliği de bugün tüm evrendeki galaksilerde gördüğümüz gibi, küçükten büyüğe doğru büyüyor.”
Hepsi olmasa da, kozmosa dağılmış galaksilerin çoğunun, merkezlerinde süper kütleli bir kara delik barındırdığı düşünülüyor. Bu kara delikler, güneş kütlesinin 100.000 katından daha büyük kütleleri barındırır ve bazıları milyonlarca, hatta milyarlarca güneş kütlesine sahiptir. Astrofiziğin en sinir bozucu sorularından biri, bu devasa yaratıkların nasıl bu kadar hızlı büyüdükleri ve en başta nasıl oluştukları olmuştur.
Yanıtları bulmak için Zhang, Behroozi ve meslektaşları, her biri galaksilerin nasıl oluşması gerektiğine dair farklı fiziksel teorilere uyan milyonlarca farklı evreni bir süper bilgisayarda oluşturabilen yeni bir makine öğrenimi biçimi kullanan bir platform olan Trinity’yi yarattı. Araştırmacılar, bilgisayarların süper kütleli karadeliklerin zaman içinde nasıl büyüdüğüne dair yeni kurallar önerdiği bir çerçeve oluşturdu. Daha sonra bu kuralları, sanal bir evrende milyarlarca kara deliğin büyümesini simüle etmek için kullandılar ve gerçek evrendeki onlarca yıllık gerçek kara delik gözlemleriyle uyuşup uyuşmadığını test etmek için sanal evreni “gözlemlediler”. Milyonlarca önerilen ve reddedilen kural setinden sonra, bilgisayarlar mevcut gözlemleri en iyi tanımlayan kurallara karar verdiler.
Behroozi, “Galaksilerin nasıl oluştuğuna dair kuralları anlamaya çalışıyoruz” dedi. “Kısacası, Trinity’ye fizik yasalarının ne olabileceğini tahmin ettiriyoruz ve simüle edilmiş bir evrene girmelerine izin veriyoruz ve o evrenin nasıl olduğunu görüyoruz. Gerçeğine benziyor mu, benzemiyor mu?”
Araştırmacılara göre, bu yaklaşım sadece galaksiler için değil, evrenin içindeki her şey için eşit derecede iyi çalışıyor.
Projenin adı, Trinity, üç ana çalışma alanına gönderme yapıyor: galaksiler, onların süper kütleli kara delikleri ve karanlık madde haleleri – doğrudan ölçümlerle görülemeyen ama varlığı fiziksel durumu açıklamak için gerekli olan geniş karanlık madde kozaları. her yerdeki galaksilerin özellikleri. Önceki çalışmalarda, araştırmacılar, UniverseMachine adı verilen çerçevelerinin daha eski bir sürümünü kullandılar. milyonlarca galaksiyi simüle etmek ve karanlık madde haleleri. Ekip, karanlık madde halelerinde büyüyen galaksilerin, halenin kütlesi ile galaksinin kütlesi arasında çok özel bir ilişki izlediğini keşfetti.
Behroozi, “Yeni çalışmamızda, bu ilişkiye kara delikler ekledik ve ardından insanların onlar hakkında yaptığı tüm gözlemleri yeniden oluşturmak için bu galaksilerde kara deliklerin nasıl büyüyebileceğini sorduk.”
Gazetenin baş yazarı Zhang, “Kara delik kütleleri hakkında çok iyi gözlemlerimiz var” dedi. “Ancak, bunlar büyük ölçüde yerel evrenle sınırlıdır. Daha uzağa baktıkça, kara deliklerin kütleleri ile ev sahibi galaksiler arasındaki ilişkileri doğru bir şekilde ölçmek giderek zorlaşıyor ve sonunda imkansız hale geliyor. Bu belirsizlik nedeniyle, gözlemler bize bu ilişkinin tüm evrende geçerli olup olmadığını doğrudan söyleyemez.”
Trinity, astrofizikçilerin yalnızca bu sınırlamayı değil, aynı zamanda büyümelerinin farklı aşamalarında gözlemlenen milyonlarca kara delikten gelen bilgileri bir araya getirerek bireysel kara delikler için olay ufku bilgi engelini de aşmasına olanak tanır. Tek bir kara deliğin geçmişi yeniden inşa edilemese de, araştırmacılar birlikte alınan tüm kara deliklerin ortalama büyüme geçmişini ölçebildiler.
Zhang, “Simüle edilmiş galaksilere kara delikler koyar ve nasıl büyüdüklerine dair kurallar girerseniz, ortaya çıkan evreni, sahip olduğumuz gerçek kara deliklerin tüm gözlemleriyle karşılaştırabilirsiniz” dedi. “Daha sonra, evrendeki herhangi bir kara deliğin ve galaksinin bugünden kozmosun başlangıcına kadar nasıl göründüğünü yeniden inşa edebiliriz.”
Simülasyonlar başka bir şaşırtıcı fenomene ışık tutuyor: Süper kütleli kara delikler – Samanyolu’nun merkezinde bulunanlar gibi – evrenin sadece birkaç milyar yaşında olduğu bebeklik dönemlerinde en güçlü şekilde büyüdüler, ancak bu sırada dramatik bir şekilde yavaşladılar. takip eden zaman, son 10 milyar yıl kadar.
Behroozi, “Galaksilerin bu garip davranışa sahip olduğunu bir süredir biliyorduk; burada yeni yıldız oluşturma hızlarında zirveye ulaşıyorlar, sonra bu hız zamanla azalıyor ve daha sonra yıldız oluşturmayı tamamen bırakıyorlar” dedi. “Şimdi, kara deliklerin de aynı şeyi yaptığını gösterebildik: ev sahibi galaksilerle aynı zamanlarda büyüyor ve kapanıyorlar. Bu, galaksilerdeki kara deliklerin büyümesiyle ilgili onlarca yıllık bir hipotezi doğruluyor.”
Ancak, sonucun daha fazla soru ortaya çıkardığını da sözlerine ekledi. Kara delikler, içinde yaşadıkları galaksilerden çok daha küçüktür. Eğer Samanyolu Dünya’nın boyutuna küçültülseydi, onun süper kütleli kara deliği bu cümlenin sonundaki nokta kadar olurdu.
Kara deliğin daha büyük galaksiyle aynı zaman diliminde kütlesini ikiye katlaması için, çok farklı ölçeklerdeki gaz akışları arasında senkronizasyon gerekir. Kara deliklerin bu dengeyi sağlamak için galaksilerle nasıl işbirliği yaptığı henüz anlaşılamamıştır.
Zhang, “Bence Trinity ile ilgili gerçekten orijinal olan şey, bize kara delikler ve galaksiler arasındaki ne tür bağlantıların çok çeşitli farklı veri kümeleri ve gözlem yöntemleriyle tutarlı olduğunu bulmamız için bir yol sağlamasıdır” dedi. Algoritma, yapılan tüm gözlemleri yeniden üretebilen karanlık madde haleleri, galaksiler ve kara delikler arasındaki ilişkileri tam olarak seçmemize izin veriyor. Temel olarak bize, ‘Tamam, tüm bu veriler ışığında, galaksiler ve karadelikler arasındaki bağlantının böyle değil, böyle görünmesi gerektiğini biliyoruz’ diyor. Ve bu yaklaşım son derece güçlü.”
Referans: “Trinity I: z = 0–10’dan karanlık madde halo-galaksi-süper kütleli kara delik bağlantısının kendi kendine tutarlı bir şekilde modellenmesi”, yazan Haowen Zhang, Peter Behroozi, Marta Volonteri, Joseph Silk, Xiaohui Fan, Philip F Hopkins, Jinyi Yang ve James Aird, 16 Ekim 2022, Royal Astronomical Society’nin Aylık Bildirimleri.
DOI: 10.1093/mnras/stac2633