Cercetătorii de la Universitatea din Arizona au reușit să profite de puterea extraordinară a așa-ziselor „supercalculatoare”, pentru a crea simulări a milioane de „universuri” generate, evident, pe calculator. Asta doar pentru a testa predilecțiile astrofizice care nu au reușit să fie confirmate și validate prin observații astronomice. Când vine vorba de găuri negre, există cam un singur lucru de care suntem siguri: ce se întâmplă acolo, rămâne acolo! Nimeni nu știe cu certitudine cum, când și de ce se formează și cresc găurile negre. Din câte știm, ceea ce se regăsește în jurul găurilor negre poată numele de „orizontul evenimentelor”, un strat misterios și invizibil din care nimic nu poate scăpa – lumină, materie, informație. Cu alte cuvinte, înseamnă că acest orizont al evenimentelor „înghite” orice dovadă despre trecutul unei găuri negre.
„Din cauza acestor adevăruri fizice, se credea că este imposibil să se măsoare modul în care s-au format aceste găuri negre”, a declarat Peter Behroozi, profesor al Universității din Arizona și cercetător de proiect la Observatorul Astronomic Național din Japonia (NAOJ). Împreună cu Haowen Zhang, doctorand la Steward, Behroozi a condus o echipă internațională de oameni de știință care, s-a folosit de învățarea automată și supercomputere pentru a reconstrui istoricul de creștere al unei găuri negre, desprinzând, efectiv, orizonturile de eveniment ale acestora, pentru a încerca să dezvăluie ce se află „dincolo de ele”. Simulările a milioane de „universuri” care au fost generate pe calculator, au arătat că găurile negre supermasive cresc în același ritm cu galaxiilor lor „gazdă”.
Acest lucru se credea a fi viabil încă de prin jurul anului 2000, dar oamenii de știință nu aveau la dispoziție tot ce le este necesar pentru a demonstra acest lucru – până acum. Lucrarea care documentează descoperirile echipei a fost publicată în revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. „Dacă te întorci în timpuri din ce în ce mai vechi ale Universului, poți descoperi că exact aceeași relație este prezentă”, a declarat Behroozi, coautor al lucrării. „Astfel, pe măsură ce galaxia crește de la mic la mare, gaura sa neagră, de asemenea, crește de la mic la mare – exact în același mod pe care îl vedem astăzi în galaxiile din tot Universul”. Se crede că majoritatea, dacă nu toate galaxiile împrăștiate în cosmos, adăpostesc în centrul lor o gaură neagră supermasivă.
Aceste găuri negre au mase de peste 100.000 mai mari decât cea a Soarelui, iar unele dintre ele chiar au milioane, miliarde de mase solare. Una dintre cele mai dificile întrebări din lumea științei a fost cum cresc aceste găuri gigantice atât de repede, și cum se formează. Pentru a reuși să găsească răspunsuri, Zhang, Behroozi și colegii lor au creat Trinity, platformă care utilizează un concept nou de învățare automată, capabilă să genereze milioane de universuri folosindu-se un supercomputer, fiecare dintre acestea respectând, însă, diferite teorii fizice privind modul în care se formează galaxiile. Cercetătorii au construit un cadru în care computerele propun noi reguli pentru modul în care găurile supermasive cresc în timp.
Apoi, au folosit aceste reguli pentru a simula creșterea a miliarde de găuri negre într-un univers virtual, și „au observat” universul virtual pentru a testa dacă acesta corespunde cu decenii de observații și date reale documentate ale găurilor negre, din Universul real. După milioane de seturi de reguli propuse și respinse, computerele au stabilit regulile care descriu cel mai fidel observațiile extinse. „Încercăm să înțelegem regulile care guvernează dinamica de formare a galaxiilor”, a declarat Behroozi. „Pe scurt, facem ca Trinity «să ghicească» care ar putea fi legile și «să le dăm drumul» într-un univers simulat. Ulterior, analizăm vedem cum se comportă în acel univers – dacă seamănă cu cel real, sau nu”. Potrivit cercetătorilor, această abordare funcționează la fel de bine pentru orice altceva din interiorul Universului, nu doar galaxii.
”Trinity”, numele proiectului, face referire la cele trei domenii principale de studiu: galaxiile, găurile negre supermasive ale acestora și halourile de materie întunecată: „coconi uriași” de materie întunecate care sunt invizibili la măsurătorile directe, dar a căror existență este necesară pentru a explica caracteristicile fizice ale galaxiilor de pretutindeni. În studiile anterioare, cercetătorii au folosit o versiune anterioară a cadrului lor, numită UniverseMachine, pentru a simula milioane de galaxii și halourile lor de materie întunecată. Echipa a descoperit faptul că galaxiile care cresc în halourile lor de materie întunecată urmează o relație foarte specifică între masa de halou și masa galaxiei – o relație direct proporțională.
„În noua noastră lucrare, am adăugat găurile negre la această relație”; a spus Behroozi, „iar mai apoi ne-am întrebat cum ar putea crește găurile negre în aceste galaxii, pentru a reproduce cât mai fidel toate observațiile pe care, de-a lungul anilor, oamenii de știință le-au făcut. Dispunem de observații foarte bune ale maselor găurilor negre”, a declarat Zhang, autor principal. „Totuși, acestea sunt în mare parte limitate la Universul local. Pe măsură ce privești mai departe, devine din ce în ce mai dificil și, în cele din urmă, imposibil să măsori cu precizie relațiile dintre masele găurilor negre și galaxiile lor gazdă. Din cauza acestor incertitudini, observațiile nu ne pot spune în mod direct dacă această relație este viabilă pentru întregul Univers, pentru tot”.
Trinity le permite astroficizienilor să depășească nu numai această limitare, ci și „bariera de informație” a orizontului evenimentelor pentru găurile negre individuale, prin asamblarea informațiilor de la milioane de găuri negre, observate în diferite stadii ale creșterii lor. Chiar dacă nu a putut fi reconstruită istoria niciunei găuri negre individuale, cercetătorii au putut măsura „istoria medie de creștere” a tuturor găurilor negre, luate împreună. „Dacă pui găuri negre în galaxiile simulate, și introduci reguli despre modul în care acestea cresc, poți compara universul rezultat cu toate observațiile adunate pe care le avem despre găurile negre reale”, afirmă Zhang. „Putem apoi să reconstruim cum arătau, în trecut, orice gaură neagră și galaxie din Univers, de astăzi până la începutul Universului”.
Simulările realizate scot la lumină un alt fenomen derutant: găurile negre supermasive – cum ar fi cea care se găsește în centrul Căii Lactee – au crescut cel mai viguros în timpul „copilăriei” lor, când Universul avea doar câteva miliarde de ani, pentru ca apoi să încetinească dramatic în timpul care a urmat (peste 10 miliarde de ani). „Știm, de ceva vreme, că galaxiile au acest comportament bizar, în care ating un vârf al ratei de formare de noi stele, apoi aceasta scade în timp și, în cele din urmă, încetează în totalitate să mai formeze stele”, declară Behroozi. „Acum, am reușit să arătăm că găurile negre procedează la fel: cresc și se opresc în același timp cu ale lor galaxii gazdă. Acest lucru confirmă o ipoteză veche de zeci de ani privitoare la creșterea găurilor negre în galaxii”. „Cu toate acestea, rezultatul ridică și mai multe întrebări”, a adăugat.
Găurile negre sunt mult mai mici decât galaxiile în care trăiesc. Dacă Calea Lactee ar fi redimensionată la dimensiunea Pământului, gaura neagră supermasivă ar avea dimensiunea punctului de la sfârșitul acestei propoziții. Pentru ca gaura neagră să își dubleze masa în același interval de timp cu galaxia mai mare, este necesară o sincronizare perfectă între fluxurile de gaz, dar la scări foarte diferite. Cum conspiră găurile negre cu galaxiile, pentru a atinge acest echilibru, rămâne încă un mister. „Cred că ceea ce este cu adevărat original la Trinity este faptul că ne oferă o modalitate viabilă de a afla ce fel de conexiuni între găurile negre și galaxii sunt compatibile cu o mare varietate de seturi de date și metode de observare diferite. Algoritmul ne permite să alegem exact acele relații dintre halourile de materie întunecată, galaxiile, dar și găurile negre care sunt capabile să reproducă toate observațiile care au fost făcute. Practic, ele ne spun «OK, având în vedere toate aceste date, știm că legătura dintre galaxii și găurile negre trebuie să arate așa, mai degrabă decât așa». După părerea noastră, această abordare este pur și simplu revoluționară, și sperăm să avem rezultate semnificative și în proiectele următoare”.
Sursă: https://news.arizona.edu/story/machine-learning-reveals-how-black-holes-grow
