超级计算机生成的"宇宙"揭示了黑洞的成长过程

黑洞被事件视界所包围，这是一个神秘的、不可见的层，没有任何东西可以从中逃脱，无论是物质、光还是信息。这意味着，事件视界吞噬了关于黑洞过去的每一点证据。

亚利桑那大学斯图尔德天文台副教授、日本国家天文台（NAOJ）项目研究员彼得-贝赫罗兹说："由于这些物理事实，人们一直认为不可能测量黑洞是如何形成的。"

Behroozi和Steward的博士生Haowen Zhang一起领导一个国际团队，使用机器学习和超级计算机来重建黑洞的生长历史，有效地剥开它们的事件视界，揭示出黑洞之外的蛛丝马迹。

对数以百万计的计算机生成的"宇宙"的模拟显示，超大质量黑洞与它们的主星系同步成长，这一论点已经被怀疑了20年，但科学家们直到现在才能够确认这种关系。一篇包含该团队发现的论文已经发表在《皇家天文学会月刊》上。

"如果你回到宇宙中更早更早的时代，你会发现完全相同的关系是存在的，"该论文的共同作者Behroozi说。"因此，随着星系由小变大，它的黑洞也在由小变大，与我们今天在整个宇宙的星系中看到的完全一样。"

大多数（如果不是全部）散布在宇宙中的星系被认为在其中心有一个超大质量的黑洞。这些黑洞的质量超过太阳的10万倍，有些黑洞的质量达到数百万甚至数十亿太阳质量。天体物理学最令人困惑的问题之一是这些庞然大物是如何快速成长的，以及它们首先是如何形成的。

为了找到答案，Zhang、Behroozi和他们的同事创建了Trinity平台，该平台使用一种新的机器学习形式，能够在一台超级计算机上生成数百万个不同的宇宙，每个宇宙都遵守不同的物理理论，说明星系应该如何形成。研究人员建立了一个框架，在这个框架中，计算机为超大质量黑洞如何随时间增长提出了新规则。然后他们用这些规则来模拟虚拟宇宙中数十亿黑洞的生长，并"观察"虚拟宇宙，以测试它是否与几十年来对整个真实宇宙中的黑洞的实际观察结果一致。在提出和拒绝了数以百万计的规则集之后，计算机最终确定了最能描述现有观测结果的规则。

"我们正试图了解星系如何形成的规则，"Behroozi说。"简而言之，我们让Trinity猜测物理规律可能是什么，并让他们在一个模拟的宇宙中进行，看看这个宇宙的结果如何。它看起来到底像不像真实的宇宙？"

根据研究人员的说法，这种方法对宇宙内部的其他东西同样有效，而不仅仅是星系。

该项目名称"Trinity"是指其三个主要的研究领域：星系、它们的超大质量黑洞和它们的暗物质光环--巨大的暗物质茧，如果直接测量是看不到的，但其存在对于解释各地星系的物理特性是必要的。在之前的研究中，研究人员使用他们框架的早期版本，即UniverseMachine来模拟数以百万计的星系及其暗物质晕轮。研究小组发现，在其暗物质光环中生长的星系遵循光环质量和星系质量之间的一种非常具体的关系。

"在我们的新工作中，我们在这种关系中加入了黑洞，"Behroozi说，"然后问黑洞如何在这些星系中生长，以重现人们对它们的所有观察。"

"我们对黑洞质量有非常好的观察，"论文的主要作者张说。"然而，这些在很大程度上被限制在本地宇宙。当你看得越远，准确测量黑洞的质量和它们的宿主星系之间的关系变得越来越困难，甚至最终不可能。由于这种不确定性，观测不能直接告诉我们这种关系在整个宇宙中是否成立。"

Trinity不仅使天体物理学家能够避开这一限制，而且还能避开单个黑洞的事件视界信息障碍，方法是将数百万个观察到的处于不同成长阶段的黑洞的信息拼接起来。尽管没有一个黑洞的历史可以被重建，但研究人员可以测量所有黑洞的平均生长历史。黑洞放入模拟星系，并输入关于它们如何生长的规则，你可以把产生的宇宙与我们拥有的所有实际黑洞的观测结果进行比较。然后可以重建宇宙中任何黑洞和星系从今天到宇宙开始时的样子。"

模拟结果揭示了另一个令人困惑的现象。超大质量黑洞--就像在银河系中心发现的那个--在其初生期增长最为旺盛，当时宇宙只有几十亿年的历史，只是在随后的时间里，在过去100亿年左右的时间里急剧放缓。

"我们已经知道一段时间，星系有这种奇怪的行为，它们形成新星的速度达到了一个高峰，然后随着时间的推移逐渐减少，再后来，它们完全停止了形成恒星，"Behroozi说。"现在，我们已经能够证明黑洞也是如此：在与它们的宿主星系相同的时间增长和关闭。这证实了数十年来关于星系中黑洞增长的假设。"

这一结果带来了更多的问题，黑洞比它们所处的星系小得多，如果银河系按比例缩小到地球的大小，那么它的超大质量黑洞将是这句话末尾的句号大小。

要使黑洞的质量在与大星系相同的时间范围内增加一倍，需要在巨大的不同尺度上实现物质流动的同步。黑洞如何与星系合谋以实现这种平衡尚待了解。