Искусственный интеллект и поиски черных дыр средней массы: ученые ищут гипотетические объекты

Физики из Австрийской академии наук (ÖAW) применяют инструменты искусственного интеллекта к большим наборам данных, полученных с детекторов гравитационных волн. Их цель — найти черные дыры средней массы, объекты, масса которых, по оценкам, составляет от 100 до 100 000 масс Солнца, пишет Heritage Daily.

У Фокус.Технологии появился свой Telegram-канал. Подписывайтесь, чтобы не пропускать самые свежие и захватывающие новости из мира науки!

Эти черные дыры находятся между хорошо известными черными дырами звездной массы и сверхмассивными черными дырами, находящимися в центрах галактик. Хотя ученые уже давно подозревали об их существовании, прямые доказательства оставались ограниченными.

Джанлука Ингулья из Института физики частиц имени Мариетты Блау при ÖAW объяснил научную проблему: "Мы знаем, что малые черные дыры могут расти в результате слияния, но приводит ли этот процесс в конечном итоге к образованию сверхмассивных черных дыр, до сих пор до конца не выяснено". Черные дыры средней массы могут представлять критическую стадию в этом процессе роста.

Поиск основан на гравитационных волнах, колебаниях в пространстве-времени, возникающих при столкновении массивных объектов, таких как черные дыры. Когда две черные дыры сливаются, они излучают короткую вспышку гравитационных волн, которую можно обнаружить с помощью чувствительных приборов. Однако слияния черных дыр средней массы генерируют чрезвычайно короткие сигналы, что затрудняет их отличия от фонового шума.

Ингулья и его команда описали, как искусственный интеллект может улучшить возможности обнаружения в запланированном телескопе Эйнштейна. Эта европейская обсерватория нового поколения, которая, как ожидается, начнет работать в 2030-х годах, будет намного чувствительнее, чем нынешние объекты, и будет генерировать огромные объемы данных.

Традиционные методы обнаружения базируются на сравнении наблюдаемых сигналов с теоретическими шаблонами или подтверждении событий с помощью нескольких детекторов. Эти методы хорошо работают, когда ожидаемая форма сигнала четко определена.

Но для черных дыр средней массы многие свойства остаются неопределенными. "У черных дыр средней массы многие свойства все еще остаются неопределенными, — сказал Ингулья, — Это увеличивает риск пропустить или неправильно интерпретировать сигналы".

Разработанная командой система искусственного интеллекта использует другую стратегию. Вместо поиска конкретных заранее определенных шаблонов, она сначала изучает, как выглядит нормальный шум детектора. Система обучена воспроизводить этот фоновый шум с высокой точностью.

Если она встречает данные, которые не может точно воспроизвести, она помечает аномалию как потенциальное событие слияния. Как сказал Ингулья, "В этом случае неудача модели является успехом. Она сообщает нам, что присутствует нечто необычное — и, возможно, реальное".

Исследователи протестировали этот метод, используя моделируемые данные из Einstein Telescope Mock Data Challenge. Искусственный интеллект успешно идентифицировал короткие сигналы слияния, даже работая с данными с одного детектора. После дополнительного обучения он обнаружил все тестовые сигналы, независимо от их массы или силы сигнала.

Одним из главных преимуществ этого метода является его гибкость. Поскольку он не зависит от строгих предположений относительно источника, он потенциально может идентифицировать сигналы, которые стандартные подходы на основе шаблонов могут пропустить.

Ингулья отметил: "Пятнадцать лет назад мало кто мог предсказать, что мы будем регулярно обнаруживать черные дыры с массой 70 или 80 солнечных масс. Сегодня мы видим их регулярно. Будущие открытия могут снова нас удивить".

По мере повышения чувствительности гравитационных обсерваторий и увеличения объема данных, традиционные методы анализа могут не успевать за темпами развития. Поэтому системы на основе искусственного интеллекта могут стать важной частью будущих поисков черных дыр средней массы и других редких космических событий.

Понимание того, могут ли малые черные дыры постепенно превращаться в сверхмассивные, остается центральным вопросом астрофизики. Совершенствуя методы обнаружения и переанализируя данные о гравитационных волнах, исследователи надеются выяснить эволюционный путь черных дыр и, таким образом, пролить свет на то, как образовались галактики и крупномасштабные космические структуры.

Ранее Фокус писал о таинственном объекте, который скрывается в поясе Койпера. Ученые считают, что он может быть больше Меркурия.

Также мы рассказывали о том, что одна из самых известных звезд изменила цвет. Ученые считают это признаком будущего взрыва сверхновой в одной из галактик-спутников Млечного Пути, который может быть виден невооруженным глазом с Земли.