Международная команда астрономов научила нейросеть анализировать черные дыры, загрузив в нее миллионы симуляций. Оказалось, что черная дыра в центре Млечного Пути вращается почти с максимально возможной скоростью, а ее ось направлена прямо на Землю.

Эти расчеты стали возможны благодаря высокопроизводительным вычислениям Центра CHTC — совместного проекта Университета Висконсин-Мэдисон и Института Моргридж.

Результаты опубликованы в трех статьях журнала Astronomy & Astrophysics  (1, 2, 3).

Высокопроизводительные вычисления (им как раз исполнилось 40 лет) — это когда одна сложная задача дробится на тысячи мелких и решается одновременно на множестве компьютеров.

Такой подход помогает не только в астрономии, но и в поиске гравитационных волн, изучении нейтрино и даже в борьбе с устойчивостью к антибиотикам.

В 2019 году коллаборация Event Horizon Telescope (EHT) показала первое изображение сверхмассивной черной дыры в галактике M87, а в 2022 — черной дыры Стрелец A* в центре Млечного Пути. Но данные скрывали куда больше информации, чем удалось извлечь вручную. Тогда ученые решили доверить анализ нейросети.

Раньше EHT использовала всего несколько искусственных моделей, но благодаря CHTC удалось создать миллионы симуляций и обучить на них байесовскую нейросеть — такую, которая умеет оценивать степень неопределенности. Это позволило точнее сопоставить реальные данные с теоретическими моделями.

Что выяснилось

• Черная дыра Стрелец A* вращается почти на пределе возможного.
• Излучение вокруг нее создают не джеты (струи плазмы), а перегретые электроны в аккреционном диске.
• Магнитные поля ведут себя не так, как предсказывают общепринятые теории.

Аккреционный диск — это раскаленный «бублик» из газа и пыли, который вращается вокруг черной дыры. Под действием гравитации вещество в нем разгоняется до чудовищных скоростей, нагревается и светится, прежде чем исчезнуть за горизонтом событий.

Оспаривать устоявшиеся взгляды — это всегда интересно, — говорит Майкл Янссен, ведущий автор исследования из Университета Радбуд в Нидерландах. — Но наша работа с ИИ — только первый шаг. Дальше нужно улучшать модели и симуляции.

Масштабы впечатляют: за три года проект обработал больше 12 миллионов задач.

Такое количество расчетов требует идеально отлаженной системы, — объясняет Чи-Кван Чан, астроном из Университета Аризоны. — Нужно грамотно распределить нагрузку между серверами и хранилищами.

Мы рады, что EHT использует наши мощности для науки, — добавляет профессор Энтони Гиттер из Института Моргридж. — Как и в других областях, высокопроизводительные вычисления помогли получить достаточно данных для обучения нейросетей и новых открытий.

Миллионы симуляций — это как раз то, для чего создавалась наша система, — говорит Мирон Ливни, глава CHTC. — Нам нравится работать с проектами, которые проверяют ее на прочность.

Этот проект — не просто любопытный научный результат. Во-первых, он подтверждает, что нейросети могут анализировать астрофизические данные лучше традиционных методов. Во-вторых, уточняет свойства черных дыр, что важно для понимания эволюции галактик. В-третьих, подход можно адаптировать для других задач — например, анализа данных радиотелескопов или даже медицинской диагностики.

Однако исследование опирается на симуляции, а они всегда упрощают реальность. Нейросеть училась на искусственных данных, и если в них были неточности, выводы тоже могут оказаться ошибочными. Кроме того, пока неясно, как магнитные поля в аккреционном диске «нарушают» теории — нужно больше наблюдений.

Ранее ученые выяснили, насколько большими могут быть сверхмассивные черные дыры.