L’apprentissage automatique révèle la croissance des trous noirs

“En raison de ces faits physiques, il avait été jugé impossible de mesurer la formation des trous noirs”, a déclaré Peter Behroozi, professeur agrégé à l’Observatoire Steward de l’Université de l’Arizona et chercheur du projet à l’Observatoire astronomique national du Japon.

Avec Haowen Zhang, doctorant à Steward, Behroozi a dirigé une équipe internationale pour utiliser l’apprentissage automatique et les superordinateurs pour reconstruire les historiques de croissance des trous noirs, en épluchant efficacement leurs horizons d’événements pour révéler ce qui se cache au-delà.

Des simulations de millions d'”univers” générés par ordinateur ont révélé que les trous noirs supermassifs se développent en parallèle avec leurs galaxies hôtes. Cela avait été suspecté pendant 20 ans, mais les scientifiques n’avaient pas été en mesure de confirmer cette relation jusqu’à présent. Un article contenant les conclusions de l’équipe a été publié dans Avis mensuels de la Royal Astronomical Society.

“Si vous remontez à des temps de plus en plus anciens dans l’univers, vous constatez qu’exactement la même relation était présente”, a déclaré Behroozi, co-auteur de l’article. “Ainsi, à mesure que la galaxie grandit de petite à grande, son trou noir grandit également de petite à grande, exactement de la même manière que nous le voyons dans les galaxies d’aujourd’hui partout dans l’univers.”

On pense que la plupart, sinon la totalité, des galaxies dispersées dans le cosmos abritent un trou noir supermassif en leur centre. Ces trous noirs ont des masses supérieures à 100 000 fois celle du soleil, certains comptant des millions, voire des milliards de masses solaires. L’une des questions les plus épineuses de l’astrophysique a été de savoir comment ces mastodontes grandissent aussi vite qu’ils le font et comment ils se forment en premier lieu.

Pour trouver des réponses, Zhang, Behroozi et leurs collègues ont créé Trinity, une plate-forme qui utilise une nouvelle forme d’apprentissage automatique capable de générer des millions d’univers différents sur un superordinateur, chacun obéissant à différentes théories physiques sur la façon dont les galaxies devraient se former. Les chercheurs ont construit un cadre dans lequel les ordinateurs proposent de nouvelles règles sur la croissance des trous noirs supermassifs au fil du temps. Ils ont ensuite utilisé ces règles pour simuler la croissance de milliards de trous noirs dans un univers virtuel et “observé” l’univers virtuel pour tester s’il correspondait à des décennies d’observations réelles de trous noirs dans l’univers réel. Après des millions d’ensembles de règles proposés et rejetés, les ordinateurs se sont mis d’accord sur les règles qui décrivaient le mieux les observations existantes.

“Nous essayons de comprendre les règles de formation des galaxies”, a déclaré Behroozi. “En un mot, nous faisons deviner à Trinity quelles peuvent être les lois physiques et les laissons aller dans un univers simulé et voyons comment cet univers se révèle. Ressemble-t-il au vrai ou non ?”

Selon les chercheurs, cette approche fonctionne aussi bien pour n’importe quoi d’autre à l’intérieur de l’univers, pas seulement pour les galaxies.

Le nom du projet, Trinity, fait référence à ses trois principaux domaines d’étude : les galaxies, leurs trous noirs supermassifs et leurs halos de matière noire — vastes cocons de matière noire invisibles aux mesures directes mais dont l’existence est nécessaire pour expliquer la physique caractéristiques des galaxies partout. Dans des études précédentes, les chercheurs ont utilisé une version antérieure de leur cadre, appelée UniverseMachine, pour simuler des millions de galaxies et leurs halos de matière noire. L’équipe a découvert que les galaxies qui se développent dans leurs halos de matière noire suivent une relation très spécifique entre la masse du halo et la masse de la galaxie.

“Dans notre nouveau travail, nous avons ajouté des trous noirs à cette relation”, a déclaré Behroozi, “et nous avons ensuite demandé comment les trous noirs pouvaient se développer dans ces galaxies pour reproduire toutes les observations que les gens ont faites à leur sujet.”

“Nous avons de très bonnes observations des masses des trous noirs”, a déclaré Zhang, l’auteur principal de l’article. “Cependant, ceux-ci sont largement limités à l’univers local. À mesure que vous regardez plus loin, il devient de plus en plus difficile, voire impossible, de mesurer avec précision les relations entre les masses des trous noirs et leurs galaxies hôtes. En raison de cette incertitude, les observations peuvent Cela ne nous dit pas directement si cette relation tient dans tout l’univers.”

Trinity permet aux astrophysiciens de contourner non seulement cette limitation, mais également la barrière de l’information sur l’horizon des événements pour les trous noirs individuels en assemblant des informations provenant de millions de trous noirs observés à différents stades de leur croissance. Même si aucun historique de trou noir individuel n’a pu être reconstitué, les chercheurs ont pu mesurer l’historique de croissance moyen de tous les trous noirs pris ensemble.

“Si vous mettez des trous noirs dans les galaxies simulées et entrez des règles sur leur croissance, vous pouvez comparer l’univers résultant à toutes les observations de trous noirs réels que nous avons”, a déclaré Zhang. “Nous pouvons alors reconstruire à quoi ressemblaient n’importe quel trou noir et galaxie de l’univers depuis aujourd’hui jusqu’au tout début du cosmos.”

Les simulations ont mis en lumière un autre phénomène déroutant : les trous noirs supermassifs – comme celui trouvé au centre de la Voie lactée – ont augmenté le plus vigoureusement au cours de leur enfance, alors que l’univers n’avait que quelques milliards d’années, pour ensuite ralentir considérablement. pendant la période qui a suivi, au cours des 10 derniers milliards d’années environ.

“Nous savons depuis un certain temps que les galaxies ont ce comportement étrange, où elles atteignent un pic dans leur taux de formation de nouvelles étoiles, puis il diminue avec le temps, puis, plus tard, elles arrêtent complètement de former des étoiles”, a déclaré Behroozi. “Maintenant, nous avons pu montrer que les trous noirs font la même chose : croître et s’éteindre en même temps que leurs galaxies hôtes. Cela confirme une hypothèse vieille de plusieurs décennies sur la croissance des trous noirs dans les galaxies.”

Cependant, le résultat pose plus de questions, a-t-il ajouté. Les trous noirs sont beaucoup plus petits que les galaxies dans lesquelles ils vivent. Si la Voie lactée était réduite à la taille de la Terre, son trou noir supermassif aurait la taille de la période à la fin de cette phrase.

Pour que le trou noir double de masse dans le même laps de temps que la plus grande galaxie, il faut une synchronisation entre les flux de gaz à des échelles très différentes. Comment les trous noirs conspirent avec les galaxies pour atteindre cet équilibre reste à comprendre.

“Je pense que la chose vraiment originale à propos de Trinity est qu’elle nous fournit un moyen de découvrir quel type de connexions entre les trous noirs et les galaxies sont compatibles avec une grande variété d’ensembles de données et de méthodes d’observation différents”, a déclaré Zhang. “L’algorithme nous permet de sélectionner précisément les relations entre les halos de matière noire, les galaxies et les trous noirs qui sont capables de reproduire toutes les observations qui ont été faites. Il nous dit essentiellement, ‘OK, compte tenu de toutes ces données, nous connaissons le lien entre les galaxies et les trous noirs doit ressembler à ceci, plutôt qu’à cela. Et cette approche est extrêmement puissante.”