Was lässt Schwarze Löcher wachsen und neue Sterne entstehen? Maschinelles Lernen hilft, das Rätsel zu lösen

Wenn sie aktiv sind, spielen supermassereiche Schwarze Löcher eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung von Galaxien. Bisher ging man davon aus, dass das Wachstum durch die heftige Kollision zweier Galaxien und deren anschließende Verschmelzung ausgelöst wird; Allerdings deuten neue Forschungsergebnisse unter der Leitung der University of Bath darauf hin, dass Galaxienverschmelzungen allein nicht ausreichen, um ein Schwarzes Loch zu befeuern – es wird auch ein Reservoir mit kaltem Gas im Zentrum der Muttergalaxie benötigt.

Die neue Studieveröffentlicht in der Zeitschrift Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society Es wird angenommen, dass es das erste Unternehmen ist, das maschinelles Lernen zur Klassifizierung von Galaxienverschmelzungen einsetzt, mit dem spezifischen Ziel, den Zusammenhang zwischen Galaxienverschmelzungen, der Akkretion supermassereicher Schwarzer Löcher und der Sternentstehung zu untersuchen. Bisher wurden Fusionen (oftmals fälschlicherweise) allein durch menschliche Beobachtung klassifiziert.

„Wenn Menschen nach Galaxienverschmelzungen suchen, wissen sie nicht immer, was sie sehen, und sie nutzen viel Intuition, um zu entscheiden, ob eine Verschmelzung stattgefunden hat“, sagte Mathilda Avirett-Mackenzie, Ph.D. Student am Fachbereich Physik der University of Bath und Erstautor der Forschungsarbeit.

Die Studie war eine Zusammenarbeit zwischen Partnern von BiD4BEST (Big Data Applications for Black Hole Evolution Studies), dessen Innovative Training Network eine Doktorandenausbildung in der Entstehung supermassereicher Schwarzer Löcher anbietet.

Sie fügte hinzu: „Indem man eine Maschine trainiert, Fusionen zu klassifizieren, erhält man eine viel wahrheitsgetreuere Aussage darüber, was Galaxien tatsächlich tun.“

Supermassereiche Schwarze Löcher

Supermassive Schwarze Löcher befinden sich im Zentrum aller massereichen Galaxien (um einen Eindruck von der Größenordnung zu vermitteln: Die Milchstraße ist mit rund 200 Milliarden Sternen nur eine mittelgroße Galaxie). Diese übergroßen Schwarzen Löcher wiegen typischerweise das Millionen- bis Milliardenfache der Masse unserer Sonne.

Die meiste Zeit ihres Lebens sind diese Schwarzen Löcher inaktiv, sitzen still, während Materie sie umkreist, und haben kaum Auswirkungen auf die Galaxie als Ganzes. Aber für kurze Phasen in ihrem Leben (die nur im astronomischen Maßstab kurz sind und höchstwahrscheinlich Millionen bis Hunderte von Millionen Jahren dauern) nutzen sie die Gravitationskräfte, um große Mengen Gas an sich zu ziehen (ein Ereignis, das als Akkretion bezeichnet wird), was zu … eine helle Scheibe, die die gesamte Galaxie überstrahlen kann.

Es sind diese kurzen Aktivitätsphasen, die für die Galaxienentwicklung am wichtigsten sind, da die enormen Energiemengen, die durch Akkretion freigesetzt werden, die Sternentstehung in Galaxien beeinflussen können. Aus gutem Grund ist es eine der größten Herausforderungen in der Astrophysik, herauszufinden, was eine Galaxie dazu bringt, sich zwischen ihren beiden Zuständen – Ruhezustand und Sternentstehungszustand – zu bewegen.

„Die Bestimmung der Rolle supermassereicher Schwarzer Löcher bei der Galaxienentwicklung ist für unsere Studien des Universums von entscheidender Bedeutung“, sagte Avirett-Mackenzie.

Menschliche Inspektion vs. maschinelles Lernen

Seit Jahrzehnten deuten theoretische Modelle darauf hin, dass Schwarze Löcher wachsen, wenn Galaxien verschmelzen. Allerdings stellen Astrophysiker, die seit vielen Jahren den Zusammenhang zwischen Galaxienverschmelzungen und dem Wachstum von Schwarzen Löchern untersuchen, diese Modelle mit einer einfachen Frage in Frage: Wie können wir Verschmelzungen von Galaxien zuverlässig identifizieren?

Die Sichtprüfung ist die am häufigsten verwendete Methode. Menschliche Klassifikatoren – entweder Experten oder Mitglieder der Öffentlichkeit – beobachten Galaxien und identifizieren hohe Asymmetrien oder lange Gezeitenschweife (dünne, längliche Regionen von Sternen und interstellarem Gas, die sich in den Weltraum erstrecken), die beide mit Galaxienverschmelzungen verbunden sind.

Diese Beobachtungsmethode ist jedoch sowohl zeitaufwändig als auch unzuverlässig, da Menschen bei ihren Klassifizierungen leicht Fehler machen können. Daher kommen Fusionsstudien häufig zu widersprüchlichen Ergebnissen.

Für die neue von Bath geleitete Studie stellten sich die Forscher der Herausforderung, die Klassifizierung von Fusionen zu verbessern, indem sie mithilfe künstlicher Intelligenz den Zusammenhang zwischen dem Wachstum von Schwarzen Löchern und der Galaxienentwicklung untersuchten.

Inspiriert vom menschlichen Gehirn

Sie trainierten ein neuronales Netzwerk (eine Teilmenge des maschinellen Lernens, die vom menschlichen Gehirn inspiriert ist und die Art und Weise nachahmt, wie biologische Neuronen einander Signale senden) auf simulierte Galaxienverschmelzungen und wandten dieses Modell dann auf im Kosmos beobachtete Galaxien an.

Auf diese Weise konnten sie Verschmelzungen ohne menschliche Vorurteile identifizieren und den Zusammenhang zwischen Galaxienverschmelzungen und dem Wachstum von Schwarzen Löchern untersuchen. Sie zeigten, dass das neuronale Netzwerk menschliche Klassifikatoren bei der Identifizierung von Verschmelzungen übertrifft, und tatsächlich neigen menschliche Klassifikatoren dazu, reguläre Galaxien mit Verschmelzungen zu verwechseln.

Mit dieser neuen Methodik konnten die Forscher zeigen, dass Fusionen nicht stark mit dem Wachstum Schwarzer Löcher verbunden sind. Verschmelzungssignaturen sind in Galaxien mit und ohne akkretierende supermassereiche Schwarze Löcher gleichermaßen häufig.

Anhand einer extrem großen Stichprobe von etwa 8.000 akkretierenden Schwarzlochsystemen – die es dem Team ermöglichte, die Frage viel detaillierter zu untersuchen – wurde festgestellt, dass Verschmelzungen nur in einer ganz bestimmten Art von Galaxien zum Wachstum von Schwarzen Löchern führten: Sternentstehungsgalaxien Galaxien, die erhebliche Mengen an kaltem Gas enthalten.

Dies zeigt, dass Galaxienverschmelzungen allein nicht ausreichen, um Schwarze Löcher anzutreiben: Es müssen auch große Mengen an kaltem Gas vorhanden sein, damit das Schwarze Loch wachsen kann.

Avirett-Mackenzie sagte: „Damit Galaxien Sterne bilden können, müssen sie kalte Gaswolken enthalten, die in der Lage sind, zu Sternen zusammenzufallen. Hochenergetische Prozesse wie die Akkretion supermassiver Schwarzer Löcher erhitzen dieses Gas, wodurch es entweder zu energiereich wird, um zu kollabieren, oder es wird in die Luft gesprengt.“ aus der Galaxie.

Sie fügte hinzu: „In einer klaren Nacht können Sie diesen Prozess im Orionnebel – einer großen Sternentstehungsregion in unserer Galaxie und der erdnächsten ihrer Art – fast in Echtzeit beobachten, wo Sie einige sehen können.“ Sterne, die erst kürzlich entstanden sind, und andere, die sich noch im Entstehen befinden.“

Dr. Carolin Villforth, leitende Dozentin am Fachbereich Physik und Betreuerin von Avirett-Mackenzie in Bath, sagte: „Bisher untersuchten alle Fusionen auf die gleiche Weise – durch visuelle Klassifizierung. Mit dieser Methode können Expertenklassifikatoren verwendet werden, die mehr erkennen können.“ Aufgrund der subtilen Merkmale konnten wir nur ein paar hundert Galaxien betrachten, mehr nicht.

„Der Einsatz von maschinellem Lernen eröffnet stattdessen ein völlig neues und sehr spannendes Feld, in dem man Tausende von Galaxien gleichzeitig analysieren kann. Man erhält konsistente Ergebnisse über wirklich große Stichproben und kann zu jedem Zeitpunkt viele verschiedene Eigenschaften eines Schwarzen betrachten.“ Loch.“