חשיפת היקום בעזרת בינה מלאכותית: כיצד למידת מכונה פותרת תעלומות של חור שחור

צריך יותר ממיזוג גלקסיות כדי ליצור א חור שחור גדלים ונוצרים כוכבים חדשים: למידת מכונה מראה שדרוש גם גז קר כדי ליזום צמיחה מהירה.

כשהם פעילים, לחורים שחורים סופר מסיביים יש תפקיד מכריע באופן שבו גלקסיות מתפתחות. עד כה, חשבו שהצמיחה מופעלת על ידי התנגשות אלימה של שתי גלקסיות ואחריה מיזוגן, אולם מחקר חדש בראשות אוניברסיטת באת' מצביע על כך שמיזוגי גלקסיות לבדם אינם מספיקים כדי לתדלק חור שחור – מאגר של גז קר. יש צורך גם במרכז הגלקסיה המארחת.

המחקר החדש, שפורסם השבוע בכתב העת הודעות חודשיות של החברה המלכותית לאסטרונומיה מאמינים כי הוא הראשון שהשתמש בלמידת מכונה כדי לסווג מיזוגים של גלקסיות במטרה ספציפית לחקור את הקשר בין מיזוג גלקסיות, הצטברות חורים שחורים סופר מסיביים והיווצרות כוכבים. עד כה, מיזוגים סווגו (לעיתים קרובות בצורה שגויה) באמצעות תצפית אנושית בלבד.

"כשבני אדם מחפשים מיזוגים של גלקסיות, הם לא תמיד יודעים על מה הם מסתכלים והם משתמשים באינטואיציה רבה כדי להחליט אם קרה מיזוג", אמרה מתילדה אבירט-מקנזי, דוקטורנטית במחלקה לפיזיקה ב- אוניברסיטת באת' ומחבר ראשון על עבודת המחקר. המחקר היה שיתוף פעולה בין שותפים מ-BiD4BEST (Big Data Applications for Black Hole Evolution Studies), שרשת ההכשרה החדשנית שלהם מספקת הכשרה לדוקטורט ביצירת חורים שחורים סופר מסיביים.

היא הוסיפה: "על ידי אימון מכונה לסיווג מיזוגים, אתה מקבל קריאה הרבה יותר אמיתית של מה שהגלקסיות עושות בפועל."

חורים שחורים סופר מסיביים

חורים שחורים סופר מסיביים נמצאים במרכז כל הגלקסיות המסיביות (כדי לתת תחושת קנה מידה, שביל החלב, עם כ-200 מיליארד כוכבים, היא רק גלקסיה בגודל בינוני). החורים השחורים הגדולים האלה שוקלים בדרך כלל בין פי מיליוני למיליארדי מסה של השמש שלנו.

במהלך רוב חייהם, החורים השחורים האלה שקטים, יושבים בשקט בזמן שחומר מסתובב סביבם, ומשפיעים מעט על הגלקסיה כולה. אבל במשך שלבים קצרים בחייהם (קצרים רק בקנה מידה אסטרונומי, וככל הנראה נמשכים מיליוני עד מאות מיליוני שנים), הם משתמשים בכוחות משיכה כדי למשוך אליהם כמויות גדולות של גז (אירוע המכונה הצטברות), וכתוצאה מכך דיסק בהיר שיכול להעלות על הגלקסיה כולה.

שלבי הפעילות הקצרים הללו הם החשובים ביותר לאבולוציה של הגלקסיות, שכן כמויות האנרגיה העצומות המשתחררות באמצעות הצטברות יכולות להשפיע על האופן שבו נוצרים כוכבים בגלקסיות. מסיבה טובה אם כן, לקבוע מה גורם לגלקסיה לנוע בין שני מצביה – שקט ויצירת כוכבים – הוא אחד האתגרים הגדולים ביותר באסטרופיזיקה.

"קביעת תפקידם של חורים שחורים סופר מסיביים בהתפתחות הגלקסיות היא חיונית במחקרים שלנו על היקום", אמרה גב' אבירט-מקנזי.

בדיקה אנושית מול למידת מכונה

במשך עשרות שנים, מודלים תיאורטיים הציעו כי חורים שחורים גדלים כאשר גלקסיות מתמזגות. עם זאת, אסטרופיזיקאים החוקרים את הקשר בין מיזוג גלקסיות וצמיחת חורים שחורים לאורך שנים רבות מאתגרים את המודלים הללו בשאלה פשוטה: כיצד אנו מזהים באופן אמין מיזוגים של גלקסיות?

בדיקה חזותית הייתה השיטה הנפוצה ביותר. מסווגים אנושיים – מומחים או אנשים מהציבור – צופים בגלקסיות ומזהים אסימטריות גבוהות או זנבות גאות ושפל ארוכים (אזורים דקים ומוארכים של כוכבים וגז בין-כוכבי המשתרעים לחלל), שניהם קשורים למיזוג גלקסיות.

עם זאת, שיטת תצפית זו גוזלת זמן וגם לא אמינה, מכיוון שקל לבני אדם לעשות טעויות בסיווג שלהם. כתוצאה מכך, מחקרי מיזוג מניבים לרוב תוצאות סותרות.

עבור המחקר החדש בהובלת באת', החוקרים הציבו לעצמם את האתגר לשפר את האופן שבו מיזוגים מסווגים על ידי לימוד הקשר בין צמיחת חורים שחורים לאבולוציה של הגלקסיות באמצעות שימוש בבינה מלאכותית.

בהשראת המוח האנושי

הם אימנו רשת עצבית (תת-קבוצה של למידת מכונה בהשראת המוח האנושי ומחקה את האופן שבו נוירונים ביולוגיים מאותתים זה לזה) על מיזוג גלקסיות מדומה, ולאחר מכן יישמו את המודל הזה על גלקסיות שנצפו בקוסמוס.

על ידי כך, הם הצליחו לזהות מיזוגים ללא הטיות אנושיות ולחקור את הקשר בין מיזוג גלקסיות וצמיחת חורים שחורים. הם הראו שהרשת העצבית מתעלה על המסווגים האנושיים בזיהוי מיזוגים, ולמעשה, מסווגים אנושיים נוטים לטעות בגלקסיות רגילות במיזוגים.

תוך יישום מתודולוגיה חדשה זו, החוקרים הצליחו להראות שמיזוגים אינם קשורים חזק לצמיחת חורים שחורים. חתימות מיזוג נפוצות באותה מידה בגלקסיות עם וללא הצטברות חורים שחורים סופר מסיביים.

באמצעות מדגם גדול במיוחד של כ-8,000 מערכות חורים שחורים שהצטברו – שאפשרו לצוות ללמוד את השאלה ביתר פירוט – נמצא שמיזוגים הובילו לצמיחת חורים שחורים רק בסוג מסוים מאוד של גלקסיות: היווצרות כוכבים. גלקסיות המכילות כמויות משמעותיות של גז קר.

זה מראה שמיזוגי גלקסיות לבדם אינם מספיקים לדלק חורים שחורים: כמויות גדולות של גז קר חייבות להיות נוכחות גם כדי לאפשר לחור השחור לצמוח.

גב' אבירט-מקנזי אמרה: "כדי שגלקסיות יוצרות כוכבים, עליהן להכיל ענני גז קרים המסוגלים להתמוטט לכוכבים. תהליכים אנרגטיים מאוד כמו הצטברות סופר-מאסיבית של חורים שחורים מחממים את הגז הזה, או שגורמים לו להיות אנרגטי מכדי לקרוס או לפוצץ אותו אל מחוץ לגלקסיה."

היא הוסיפה: "בלילה בהיר, אתה יכול כמעט לזהות את התהליך הזה מתרחש בזמן אמת עם ערפילית אוריון – אזור גדול ויוצר כוכבים בגלקסיה שלנו והקרוב ביותר מסוגו לכדור הארץ – שבו אתה יכול לראות כמה כוכבים שנוצרו לאחרונה ואחרים שעדיין מתהווים".

ד"ר קרולין וילפורת', מרצה בכירה במחלקה לפיזיקה והמנחה של גב' אבירט-מקנזי בבאת', אמרה: "עד עכשיו כולם למדו מיזוגים באותה צורה – באמצעות סיווג חזותי. בשיטה זו, כאשר משתמשים במסווגים מומחים שיכולים לזהות תכונות עדינות יותר, הצלחנו להסתכל רק על כמה מאות גלקסיות, לא יותר.

"שימוש בלמידת מכונה במקום זאת פותח תחום חדש ומרגש מאוד שבו אתה יכול לנתח אלפי גלקסיות בו זמנית. אתה מקבל תוצאות עקביות על דגימות גדולות באמת, ובכל רגע נתון, אתה יכול להסתכל על מאפיינים רבים ושונים של חור שחור."