超級(jí)計(jì)算機(jī)生成的"宇宙"的模擬顯示：超大質(zhì)量黑洞與它們的主星系同步成長(zhǎng)
（神秘的地球uux.cn）據(jù)cnBeta：美國(guó)亞利桑那大學(xué)的研究人員利用超級(jí)計(jì)算能力創(chuàng)建了數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的計(jì)算機(jī)生成的"宇宙"的模擬，以測(cè)試天體物理學(xué)的超級(jí)成的成長(zhǎng)預(yù)測(cè)，而這些預(yù)測(cè)是計(jì)算機(jī)生在天文觀測(cè)中無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。盡管黑洞和拉斯維加斯看起來(lái)如此不同，模大質(zhì)洞們的主但它們有一個(gè)共同點(diǎn)：那里發(fā)生的擬顯事情會(huì)一直留在那里--這讓試圖了解黑洞如何、何時(shí)以及為何形成和增長(zhǎng)的示超天體物理學(xué)家們感到非常沮喪。
黑洞被事件視界所包圍，量黑這是星系一個(gè)神秘的、不可見的同步層，沒有任何東西可以從中逃脫，宇宙無(wú)論是超級(jí)成的成長(zhǎng)物質(zhì)、光還是計(jì)算機(jī)生信息。這意味著，模大質(zhì)洞們的主事件視界吞噬了關(guān)于黑洞過去的擬顯每一點(diǎn)證據(jù)。
亞利桑那大學(xué)斯圖爾德天文臺(tái)副教授、示超日本國(guó)家天文臺(tái)（NAOJ）項(xiàng)目研究員彼得-貝赫羅茲說(shuō)："由于這些物理事實(shí)，人們一直認(rèn)為不可能測(cè)量黑洞是如何形成的。"
Behroozi和Steward的博士生Haowen Zhang一起領(lǐng)導(dǎo)一個(gè)國(guó)際團(tuán)隊(duì)，使用機(jī)器學(xué)習(xí)和超級(jí)計(jì)算機(jī)來(lái)重建黑洞的生長(zhǎng)歷史，有效地剝開它們的事件視界，揭示出黑洞之外的蛛絲馬跡。
對(duì)數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的計(jì)算機(jī)生成的"宇宙"的模擬顯示，超大質(zhì)量黑洞與它們的主星系同步成長(zhǎng)，這一論點(diǎn)已經(jīng)被懷疑了20年，但科學(xué)家們直到現(xiàn)在才能夠確認(rèn)這種關(guān)系。一篇包含該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)的論文已經(jīng)發(fā)表在《皇家天文學(xué)會(huì)月刊》上。
"如果你回到宇宙中更早更早的時(shí)代，你會(huì)發(fā)現(xiàn)完全相同的關(guān)系是存在的，"該論文的共同作者Behroozi說(shuō)。"因此，隨著星系由小變大，它的黑洞也在由小變大，與我們今天在整個(gè)宇宙的星系中看到的完全一樣。"
大多數(shù)（如果不是全部）散布在宇宙中的星系被認(rèn)為在其中心有一個(gè)超大質(zhì)量的黑洞。這些黑洞的質(zhì)量超過太陽(yáng)的10萬(wàn)倍，有些黑洞的質(zhì)量達(dá)到數(shù)百萬(wàn)甚至數(shù)十億太陽(yáng)質(zhì)量。天體物理學(xué)最令人困惑的問題之一是這些龐然大物是如何快速成長(zhǎng)的，以及它們首先是如何形成的。
為了找到答案，Zhang、Behroozi和他們的同事創(chuàng)建了Trinity平臺(tái)，該平臺(tái)使用一種新的機(jī)器學(xué)習(xí)形式，能夠在一臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)上生成數(shù)百萬(wàn)個(gè)不同的宇宙，每個(gè)宇宙都遵守不同的物理理論，說(shuō)明星系應(yīng)該如何形成。研究人員建立了一個(gè)框架，在這個(gè)框架中，計(jì)算機(jī)為超大質(zhì)量黑洞如何隨時(shí)間增長(zhǎng)提出了新規(guī)則。然后他們用這些規(guī)則來(lái)模擬虛擬宇宙中數(shù)十億黑洞的生長(zhǎng)，并"觀察"虛擬宇宙，以測(cè)試它是否與幾十年來(lái)對(duì)整個(gè)真實(shí)宇宙中的黑洞的實(shí)際觀察結(jié)果一致。在提出和拒絕了數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的規(guī)則集之后，計(jì)算機(jī)最終確定了最能描述現(xiàn)有觀測(cè)結(jié)果的規(guī)則。
"我們正試圖了解星系如何形成的規(guī)則，"Behroozi說(shuō)。"簡(jiǎn)而言之，我們讓Trinity猜測(cè)物理規(guī)律可能是什么，并讓他們?cè)谝粋€(gè)模擬的宇宙中進(jìn)行，看看這個(gè)宇宙的結(jié)果如何。它看起來(lái)到底像不像真實(shí)的宇宙？"
根據(jù)研究人員的說(shuō)法，這種方法對(duì)宇宙內(nèi)部的其他東西同樣有效，而不僅僅是星系。
該項(xiàng)目名稱"Trinity"是指其三個(gè)主要的研究領(lǐng)域：星系、它們的超大質(zhì)量黑洞和它們的暗物質(zhì)光環(huán)--巨大的暗物質(zhì)繭，如果直接測(cè)量是看不到的，但其存在對(duì)于解釋各地星系的物理特性是必要的。在之前的研究中，研究人員使用他們框架的早期版本，即UniverseMachine來(lái)模擬數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的星系及其暗物質(zhì)暈輪。研究小組發(fā)現(xiàn)，在其暗物質(zhì)光環(huán)中生長(zhǎng)的星系遵循光環(huán)質(zhì)量和星系質(zhì)量之間的一種非常具體的關(guān)系。
"在我們的新工作中，我們?cè)谶@種關(guān)系中加入了黑洞，"Behroozi說(shuō)，"然后問黑洞如何在這些星系中生長(zhǎng)，以重現(xiàn)人們對(duì)它們的所有觀察。"
"我們對(duì)黑洞質(zhì)量有非常好的觀察，"論文的主要作者張說(shuō)。"然而，這些在很大程度上被限制在本地宇宙。當(dāng)你看得越遠(yuǎn)，準(zhǔn)確測(cè)量黑洞的質(zhì)量和它們的宿主星系之間的關(guān)系變得越來(lái)越困難，甚至最終不可能。由于這種不確定性，觀測(cè)不能直接告訴我們這種關(guān)系在整個(gè)宇宙中是否成立。"
Trinity不僅使天體物理學(xué)家能夠避開這一限制，而且還能避開單個(gè)黑洞的事件視界信息障礙，方法是將數(shù)百萬(wàn)個(gè)觀察到的處于不同成長(zhǎng)階段的黑洞的信息拼接起來(lái)。盡管沒有一個(gè)黑洞的歷史可以被重建，但研究人員可以測(cè)量所有黑洞的平均生長(zhǎng)歷史。黑洞放入模擬星系，并輸入關(guān)于它們?nèi)绾紊L(zhǎng)的規(guī)則，你可以把產(chǎn)生的宇宙與我們擁有的所有實(shí)際黑洞的觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較。然后可以重建宇宙中任何黑洞和星系從今天到宇宙開始時(shí)的樣子。"
模擬結(jié)果揭示了另一個(gè)令人困惑的現(xiàn)象。超大質(zhì)量黑洞--就像在銀河系中心發(fā)現(xiàn)的那個(gè)--在其初生期增長(zhǎng)最為旺盛，當(dāng)時(shí)宇宙只有幾十億年的歷史，只是在隨后的時(shí)間里，在過去100億年左右的時(shí)間里急劇放緩。
"我們已經(jīng)知道一段時(shí)間，星系有這種奇怪的行為，它們形成新星的速度達(dá)到了一個(gè)高峰，然后隨著時(shí)間的推移逐漸減少，再后來(lái)，它們完全停止了形成恒星，"Behroozi說(shuō)。"現(xiàn)在，我們已經(jīng)能夠證明黑洞也是如此：在與它們的宿主星系相同的時(shí)間增長(zhǎng)和關(guān)閉。這證實(shí)了數(shù)十年來(lái)關(guān)于星系中黑洞增長(zhǎng)的假設(shè)。"
這一結(jié)果帶來(lái)了更多的問題，黑洞比它們所處的星系小得多，如果銀河系按比例縮小到地球的大小，那么它的超大質(zhì)量黑洞將是這句話末尾的句號(hào)大小。
要使黑洞的質(zhì)量在與大星系相同的時(shí)間范圍內(nèi)增加一倍，需要在巨大的不同尺度上實(shí)現(xiàn)物質(zhì)流動(dòng)的同步。黑洞如何與星系合謀以實(shí)現(xiàn)這種平衡尚待了解。

(責(zé)任編輯：休閑)