是什么让黑洞生长和新恒星形成机器学习有助于解开这个谜团

当超大质量黑洞活跃时，它们在星系演化中发挥着至关重要的作用。到目前为止，人们认为增长是由两个星系的剧烈碰撞和合并引发的。然而，巴斯大学领导的新研究表明，仅靠星系合并并不足以为黑洞提供燃料——宿主星系中心还需要一个冷气体库。

这项发表在《皇家天文学会月刊》杂志上的新研究被认为是第一个使用机器学习对星系合并进行分类的研究，其具体目的是探索星系合并、超大质量黑洞吸积和恒星形成之间的关系。到目前为止，合并仅通过人类观察进行分类(通常是错误的)。

“当人类寻找星系合并时，他们并不总是知道自己在寻找什么，而是利用大量的直觉来决定是否发生了合并，”玛蒂尔达·阿维雷特-麦肯齐博士说。巴斯大学物理系学生，也是该研究论文的第一作者。

这项研究是BiD4BEST(黑洞演化研究大数据应用)合作伙伴之间的合作，其创新培训网络提供超大质量黑洞形成方面的博士培训。

她补充道，“通过训练机器对合并进行分类，你可以更真实地了解星系实际上在做什么。”

超大质量黑洞

超大质量黑洞存在于所有大质量星系的中心(为了给人一种规模感，拥有大约2000亿颗恒星的银河系只是一个中等大小的星系)。这些超大黑洞的重量通常是太阳质量的数百万至数十亿倍。

在它们生命的大部分时间里，这些黑洞都是静止的，当物质围绕它们运行时，它们静静地坐着，对整个星系几乎没有影响。但在它们生命中的短暂阶段(仅在天文规模上短暂，并且很可能持续数百万到数亿年)，它们利用引力将大量气体吸引向它们(这一事件称为吸积)，从而导致一个可以照亮整个星系的明亮圆盘。

这些短暂的活动阶段对于星系演化最为重要，因为通过吸积释放的大量能量会影响星系中恒星的形成方式。因此，确定星系在静止和恒星形成两种状态之间移动的原因是天体物理学中最大的挑战之一。

“确定超大质量黑洞在星系演化中的作用对于我们的宇宙研究至关重要，”阿维雷特-麦肯齐说。

人工检查与机器学习

几十年来，理论模型表明黑洞会随着星系合并而增长。然而，多年来研究星系合并与黑洞生长之间联系的天体物理学家一直在用一个简单的问题挑战这些模型：我们如何可靠地识别星系合并?

目视检查是最常用的方法。人类分类者——无论是专家还是公众——观察星系并识别高度不对称性或长潮汐尾(细长的恒星区域和延伸到太空的星际气体)，这两者都与星系合并有关。

然而，这种观察方法既耗时又不可靠，因为人类很容易在分类时犯错误。因此，合并研究常常会得出相互矛盾的结果。

在巴斯领导的这项新研究中，研究人员给自己设定了挑战，通过使用人工智能研究黑洞生长和星系演化之间的联系，改进合并的分类方式。

受到人类大脑的启发

他们在模拟星系合并上训练了一个神经网络(受人脑启发的机器学习子集，模仿生物神经元相互发送信号的方式)，然后将该模型应用于在宇宙中观察到的星系。

通过这样做，他们能够在没有人类偏见的情况下识别合并，并研究星系合并与黑洞增长之间的联系。他们表明，神经网络在识别合并方面优于人类分类器，事实上，人类分类器倾向于将规则星系误认为是合并。

应用这种新方法，研究人员能够证明合并与黑洞增长并没有很强的相关性。合并特征在有或没有吸积超大质量黑洞的星系中同样常见。

使用大约8,000个吸积黑洞系统的超大样本(这使团队能够更详细地研究这个问题)发现，合并仅在一种非常特殊的星系类型中导致黑洞生长：恒星形成含有大量冷气体的星系。

这表明仅靠星系合并不足以为黑洞提供燃料：还必须存在大量冷气体才能使黑洞生长。

阿维雷特-麦肯齐说：“星系要形成恒星，它们必须含有能够塌缩成恒星的冷气体云。像超大质量黑洞吸积这样的高能过程会加热这种气体，要么使其能量太高而无法塌缩，要么将其吹散。”出了银河系。”

她补充道，“在晴朗的夜晚，你几乎可以在猎户座星云中实时看到这一过程发生——猎户座星云是我们银河系中一个巨大的恒星形成区域，也是同类中距离地球最近的区域——在那里你可以看到一些恒星形成的区域。”最近形成的恒星和其他仍在形成的恒星。”

巴斯大学物理系高级讲师、阿维雷特-麦肯齐的导师卡罗琳·维尔福斯(CarolinVillforth)博士说：“到目前为止，每个人都在以相同的方式研究合并——通过视觉分类。通过这种方法，当使用专家分类器时，可以发现更多由于这些细微的特征，我们只能看到几百个星系，仅此而已。

“相反，使用机器学习开辟了一个全新且非常令人兴奋的领域，您可以一次分析数千个星系。您可以在非常大的样本上获得一致的结果，并且在任何给定时刻，您都可以查看黑色星系的许多不同属性。洞。”

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