超級計算機生成的"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
來源：桑間濮上網(wǎng)
時間：2025-12-07 19:09:32
超級計算機生成的"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
（神秘的地球uux.cn）據(jù)cnBeta：美國亞利桑那大學的研究人員利用超級計算能力創(chuàng)建了數(shù)以百萬計的計算機生成的"宇宙"的模擬，以測試天體物理學的超級成的成長預測，而這些預測是計算機生在天文觀測中無法實現(xiàn)的。盡管黑洞和拉斯維加斯看起來如此不同，模大質(zhì)洞們的主但它們有一個共同點：那里發(fā)生的擬顯事情會一直留在那里--這讓試圖了解黑洞如何、何時以及為何形成和增長的示超天體物理學家們感到非常沮喪。
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，宇宙無論是超級成的成長物質(zhì)、光還是計算機生信息。這意味著，模大質(zhì)洞們的主事件視界吞噬了關于黑洞過去的擬顯每一點證據(jù)。
亞利桑那大學斯圖爾德天文臺副教授、示超日本國家天文臺（NAOJ）項目研究員彼得-貝赫羅茲說："由于這些物理事實，人們一直認為不可能測量黑洞是如何形成的。"
Behroozi和Steward的博士生Haowen Zhang一起領導一個國際團隊，使用機器學習和超級計算機來重建黑洞的生長歷史，有效地剝開它們的事件視界，揭示出黑洞之外的蛛絲馬跡。
對數(shù)以百萬計的計算機生成的"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，這一論點已經(jīng)被懷疑了20年，但科學家們直到現(xiàn)在才能夠確認這種關系。一篇包含該團隊發(fā)現(xiàn)的論文已經(jīng)發(fā)表在《皇家天文學會月刊》上。
"如果你回到宇宙中更早更早的時代，你會發(fā)現(xiàn)完全相同的關系是存在的，"該論文的共同作者Behroozi說。"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為在其中心有一個超大質(zhì)量的黑洞。這些黑洞的質(zhì)量超過太陽的10萬倍，有些黑洞的質(zhì)量達到數(shù)百萬甚至數(shù)十億太陽質(zhì)量。天體物理學最令人困惑的問題之一是這些龐然大物是如何快速成長的，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，該平臺使用一種新的機器學習形式，能夠在一臺超級計算機上生成數(shù)百萬個不同的宇宙，每個宇宙都遵守不同的物理理論，說明星系應該如何形成。研究人員建立了一個框架，在這個框架中，計算機為超大質(zhì)量黑洞如何隨時間增長提出了新規(guī)則。然后他們用這些規(guī)則來模擬虛擬宇宙中數(shù)十億黑洞的生長，并"觀察"虛擬宇宙，以測試它是否與幾十年來對整個真實宇宙中的黑洞的實際觀察結(jié)果一致。在提出和拒絕了數(shù)以百萬計的規(guī)則集之后，計算機最終確定了最能描述現(xiàn)有觀測結(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。"簡而言之，我們讓Trinity猜測物理規(guī)律可能是什么，并讓他們在一個模擬的宇宙中進行，看看這個宇宙的結(jié)果如何。它看起來到底像不像真實的宇宙？"
根據(jù)研究人員的說法，這種方法對宇宙內(nèi)部的其他東西同樣有效，而不僅僅是星系。
該項目名稱"Trinity"是指其三個主要的研究領域：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，如果直接測量是看不到的，但其存在對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來模擬數(shù)以百萬計的星系及其暗物質(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系。
"在我們的新工作中，我們在這種關系中加入了黑洞，"Behroozi說，"然后問黑洞如何在這些星系中生長，以重現(xiàn)人們對它們的所有觀察。"
"我們對黑洞質(zhì)量有非常好的觀察，"論文的主要作者張說。"然而，這些在很大程度上被限制在本地宇宙。當你看得越遠，準確測量黑洞的質(zhì)量和它們的宿主星系之間的關系變得越來越困難，甚至最終不可能。由于這種不確定性，觀測不能直接告訴我們這種關系在整個宇宙中是否成立。"
Trinity不僅使天體物理學家能夠避開這一限制，而且還能避開單個黑洞的事件視界信息障礙，方法是將數(shù)百萬個觀察到的處于不同成長階段的黑洞的信息拼接起來。盡管沒有一個黑洞的歷史可以被重建，但研究人員可以測量所有黑洞的平均生長歷史。黑洞放入模擬星系，并輸入關于它們?nèi)绾紊L的規(guī)則，你可以把產(chǎn)生的宇宙與我們擁有的所有實際黑洞的觀測結(jié)果進行比較。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的樣子。"
模擬結(jié)果揭示了另一個令人困惑的現(xiàn)象。超大質(zhì)量黑洞--就像在銀河系中心發(fā)現(xiàn)的那個--在其初生期增長最為旺盛，當時宇宙只有幾十億年的歷史，只是在隨后的時間里，在過去100億年左右的時間里急劇放緩。
"我們已經(jīng)知道一段時間，星系有這種奇怪的行為，它們形成新星的速度達到了一個高峰，然后隨著時間的推移逐漸減少，再后來，它們完全停止了形成恒星，"Behroozi說。"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間增長和關閉。這證實了數(shù)十年來關于星系中黑洞增長的假設。"
這一結(jié)果帶來了更多的問題，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大小。
要使黑洞的質(zhì)量在與大星系相同的時間范圍內(nèi)增加一倍，需要在巨大的不同尺度上實現(xiàn)物質(zhì)流動的同步。黑洞如何與星系合謀以實現(xiàn)這種平衡尚待了解。
